Chương LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1 Lịch sử lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hệ I đời đầu thập niên 50, nhiên chúng bị đào thải - Thế hệ thứ II đời vào đầu thập niên 70 - Thế hệ thứ III, vào thập niên 90 - Thế hệ thứ IV chuẩn bị với nhiều hy vọng trở thành công nghệ toàn hảo làm giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc thải khí CO2, thực an toàn lao động vận hành loại lò “lò phản ứng tự giải quyết” trường hợp có tai nạn 4.1.1 Lò phản ứng hệ I Lò phản ứng có tên Magnox nhà vật lý người Anh sáng chế Ts Ion, Ts Khalit, Ts Magwood Lò Magnox sử dụng nguyên liệu urani thiên nhiên có 0,7% chất đồng vị U-235 99,2% U-238 Ion Khalit Magwood Nguyên tắc vận hành Nguyên tắc vận hành tóm tắt sau: Các ống kim loại urani bao bọc lớp hợp kim gồm nhôm magiê Một lớp than graphit đặt nằm ống urani hợp kim có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích nơtron phân hạch U-235 Từ nơtron va chạm mạnh với hạt nhân U-235 để phản ứng dây chuyền liên tục xảy Để điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụng loại thép đặc biệt Nó có tính chất hấp thụ nơtron, điều khiển phản ứng theo ý muốn Có 26 lò Magnox hoạt động nước Anh, lò hoạt động 4.1.2 Lò phản ứng hệ II Loại lò đời vào thập niên 70, chiếm đa số lò hoạt động giới Từ ban đầu, 60% loại lò áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, Nhưng thay lò nước sôi BWR Nhiên liệu sử dụng cho lò hợp chất urani đioxit hợp kim bọc ống cấu tạo kim loại zirconi Urani 235 làm giàu từ 0,7% đến 3,5% Một khác biệt nước đun sôi chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất Như vậy, phương pháp rút ngắn tiến trình tạo nhiệt nước truyền nhiệt qua tuabin để biến thành điện 4.1.3 Lò phản ứng hệ III Kể từ cuối thập niên 80, hệ III bắt đầu nghiên cứu với nhiều cải tiến từ lò phản ứng loại BWR hệ II Năm 1996 Nhật có loại lò Hiện lò sử dụng nhiều quốc gia giới thời gian xây dựng tương đối ngắn ( xây khoảng năm) chi phí giảm so với lò thuộc hệ trước Hơn nữa, việc vận hành bảo dưỡng loại lò tương đối đơn giản an toàn 4.1.4 Lò phản ứng hệ IV Các nhà khoa học tiến dần đến việc xây dựng lò hạt nhân hệ IV, hệ thống an toàn sÏ hoàn toàn tự động, việc phát thải khí CO2 Thế hệ IV gọi “lò phản ứng cách mạng" Thế hệ dù kiÕn ứng dụng vào năm 2030 thỏa mãn điều kiện sau: + Giá thành cho điện rẻ tại; + Độ an toàn cao nên xem an toàn 100%; + Giảm thiểu phát thải đến mức tối đa 4.2 ĐK trì phản ứng dây chuyền 4.2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền Khi ta truyền cho hạt nhân lượng đủ lớn, hạt nhân vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ Năng lượng cần thiết, nhỏ để làm hạt nhân phân chia gọi lượng kích hoạt Năng lượng kích hoạt sử dụng cho hai phần: phần truyền cho nuclon riêng biệt bên hạt nhân tạo dạng chuyển động nội tại, phần dùng để kích thích chuyển động tập thể toàn hạt nhân, gây biến dạng làm hạt nhân vỡ Hai phản ứng hạt nhân diễn lò phản ứng chạy nơtron chậm U235 là: 0n1 + 92U235 → A + B + νn' và: 0n1 + 92U235 → 92U236 + γ A B hai hạt nhân nhẹ U235 gọi mảnh phân hạch Để lò đạt trạng thái tới hạn tức trạng thái mà phản ứng dây chuyền tự trì phải có cân xác số nơtron số nơtron xuất phân hạch 4.2 ĐK trì phản ứng dây chuyền 4.2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền Urani thiên nhiên có chứa 99,6% đồng vị U238 0,7% đồng vị U235 Hạt nhân đồng vị U238 bị vỡ hấp thụ nơtron nhanh (có lượng lớn MeV) Khi hấp thụ nơtron chậm U238 biến thành Pu239 Trái lại, hạt nhân U235 bị vỡ hấp thụ nơtron chậm nơtron nhanh Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm hạt nhân U235 lớn nhiều so với xác suất hấp thụ Phản ứng dây chuyền 4.2 ĐK trì phản ứng dây chuyền 4.2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền Quá trình thực nghiệm cho kết hạt nhân U235, Pu239 U233 bị vỡ hấp thụ nơtron nhiệt (có lượng nhỏ từ 0,1→0,001 eV), U238 Th232 vỡ hấp thụ nơtron nhanh (NL lớn MeV) Khi hấp thụ nơtron, hạt nhân ZXA biến thành hạt nhân ZXA+1 trạng thái kích thích có mức lượng cao mức Năng lượng kích thích tổng động lượng liên kết nơtron hạt nhân Nếu lượng kích thích lớn lượng kích hoạt trình phân hạch xảy Nếu ngược lại hạt nhân chuyển trạng thái phát xạ γ Hạt nhiên liệu hình cầu 250oC Trao đổi nhiệt 17,7Mpa 530oC, Tua bin,máy phát Nước 35oC ~25oC bơm Vỏ lò Quạt thổi 750oC,4Mpa Bình ngưng bơm 4.6.2 Lò nước nặng Lò nước nặng lò phản ứng sử dụng nước nặng làm chất làm chậm Loại lò chủ yếu phát triển Canada So với nước nhẹ, nước nặng hấp thụ nơtron nên sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu Tuy nhiên giá thành nước nặng cao, khó chế tạo Lò phản ứng Lò nước nặng 4.6.3 Lò nước nhẹ PWR Lò nước nhẹ lò phản ứng sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm chất tải nhiệt Có hai loại lò nước nhẹ PWR (Pressurized Water Reactor - Lò nước áp lực) BWR (Boiling Water Reactor - Lò nước sôi ) PWR phát triển cho mục đích quân sự, ví dụ : tạo sức đẩy cho tàu thuyền đặc biệt sử dụng cho tàu ngầm Hệ thống thứ lò phản ứng thiết kế không làm sôi nước mà truyền nhiệt sang hệ thống thứ để tạo nước, nước làm quay tuabin không bị nhiễm xạ Lò nước nhẹ PWR 4.6.3 Lò nước nhẹ BWR BWR từ đầu phát triển cho mục đích hoà bình phát điện Nước làm sôi hệ thống thứ lò phản ứng dùng nước làm quay tuabin, tuabin bị nhiễm xạ vận hành Nhưng hệ thống thứ nên cấu tạo lò đơn giản Urani tự nhiên sử dụng làm nhiên liệu cho lò nước nhẹ Nhiên liệu sử dụng dạng oxit urani làm giàu thấp, khoảng 4% Lò nước nhẹ BWR 4.6.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh a Nguyên lý lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng nhiên liệu plutoni Plutoni phân hạch nơtron tốc độ cao có khoảng nơtron sinh Số lượng nơtron sinh lần phân hạch nhiều Nếu sử dụng khéo nơtron tạo lượng plutoni nhiều so với lượng plutoni đốt cháy b Ý nghĩa việc phát triển lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh So với trường hợp sử dụng lần nhiên liệu urani lò nước nhẹ, sử dụng nhiều lần lò tái sinh nhanh thu lượng lớn 50 lần Số năm khai thác urani sử dụng lò nước nhẹ vào khoảng 70 năm, sử dụng lò tái sinh nhanh ta sử dụng 4.6.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh c Cơ chế hoạt động lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh Vì lò hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng notron nhanh nên không cần chất làm chậm Chất tải nhiệt natri Vì Na có phản ứng tiếp xúc với không khí nên bề mặt Na cần phủ khí trừ khí argon d Tính kinh tế lò hạt nhân tái sinh Chi phí lò hạt nhân tái sinh nhanh gấp từ 1,5 đến lần so với lò nước nhẹ Hiện kinh tế chưa thể cạnh tranh với lò nước nhẹ tương lai, nguồn tài nguyên urani hết dần, giá urani tăng lên, có lẽ lò tái sinh nhanh cạnh tranh với lò nước nhẹ Đánh giá mức độ nguy hiểm chất thải Trong thực tế chất thải số dạng phát điện dùng nhiệt phát tán thẳng vào môi trường nên đáng sợ nhiều so với chất thải nhà máy phát điện hạt nhân, chất thải nhà máy phát điện hạt nhân có số lượng nhỏ, lại quản lý Thí dụ so sánh: Một nhà máy nhiệt điện chạy than có công suất 1.000 MW, năm thải 320.000 tro bụi, có 400 kim loại nặng, hít vào người nguy hại Xỉ than nhà máy có lượng phóng xạ cao nhiều so với mức phóng xạ mà người sống xung quanh nhà máy điện hạt nhân tiếp xúc Đánh giá mức độ nguy hiểm chất thải Nhà máy điện hạt nhân có hai dạng chất thải - Dạng thải phóng xạ thấp (phát sinh từ phin lọc lò phản ứng, từ dụng cụ thay ), có thời gian bán rã ngắn, dài 30 năm Để xử lý, người ta bê tông hóa chúng, đóng vào container nhỏ chôn xuống đất Sau thời gian, chúng trở lại trạng thái an toàn Một lò 1.000 MW năm thải khoảng 800 chất thải loại này, cô đặc lại khoảng 10 mét khối - Nhiên liệu cháy loại chất thải đáng lo ngại Một lò 1.000 MW thải khoảng 30 năm Chúng có cường độ phóng xạ cao, thời gian bán rã lâu Song, từ nhiên liệu thải cần xử lý phải 40-50 năm Như vậy, Việt Nam vận hành nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020, phải đến năm 2070, phải tính đến việc Đến lúc chắn công nghệ xử lý chất thải giới tiến xa so với giai đoạn Lò phản ứng hạt nhân Việt Nam Việt Nam có Viện Năng lượng nguyên tử Đà Lạt Đây lò phản ứng hạt nhân ta có thuộc loại lò nghiên cứu, chạy urani - 235 làm giầu, chất làm chậm nước thường, tải nhiệt trình đối lưu tự nhiên, có ba chức a Đào tạo cán cho ngành hạt nhân b Nghiên cứu phản ứng hạt nhân, nghiên cứu ứng dụng ngành khoa học, kỹ thuật y tế, công nghiệp, nông nghiệp, sinh học v.v c Sản xuất số đồng vị pháng xạ cung cấp cho nhu cầu nước để chẩn đóan điều trị ngành y tế, nghiên cứu ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp v.v Nhu cầu điện tương lai Việt Nam Nghiên cứu Viện lượng nguyên tử VN cho thấy, nhu cầu điện nước ta tăng 17% năm (trong năm gần đây) Cứ đà này, Việt Nam nhanh chóng bị thiếu điện, đến năm 2017-2020 cần có nhà máy điện hạt nhân để đáp ứng nhu cầu Hiện nước Đông Nam Á, có Indonesia Việt Nam thúc đẩy phát triển điện hạt nhân Nhu cầu điện Việt Nam Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cho biết : Dự báo khoảng 10 năm nữa, Việt Nam thiếu lượng sơ cấp (than, dầu ) Việt Nam từ nước xuất dầu trở thành nước phải nhập mặt hàng này, cộng với việc tăng nhu cầu sử dụng điện dẫn đến thiếu điện nghiêm trọng Ước tính đến năm 2020, dù có áp dụng biện pháp tiết kiệm, nhu cầu điện Việt Nam lên đến 200-230 tỷ KW/h, lượng điện sản xuất từ nguồn lượng sơ cấp đáp ứng khoảng 165 tỷ KW/h Lượng điện thiếu hụt cần phải bổ sung cách nhập điện từ nước láng giềng với lượng không đáng kể sử dụng điện nguyên tử Chính vậy, việc đời nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020 kịp thời đáp ứng nhu cầu cấp bách lúc Chương trình xây dựng nhà máy điện hạt nhân Việt Nam Theo kinh nghiệm nhiều nước có nhà máy điện hạt nhân, trình xây dựng công trình tương tự khoảng 13-15 năm Xã Vĩnh Hải, huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận chọn đặt nhà máy điện nguyên tử nước ta Dự kiến nhà máy bắt đầu xây dựng vào năm 2012, để đến năm 2020 hòa điện lưới quốc gia, với lò phản ứng có công suất tổng cộng 2.000 MW Trước mắt, nhà máy điện hạt nhân có tổ máy (mỗi lò công suất 1.000 MW), với vốn đầu tư khoảng tỷ USD, sau bổ sung 2- lò Thiết bị cho nhà máy nhập Các lò phản ứng bước nội địa hóa, mà nhiên liệu Dự kiến nhà máy vào hoạt động, điện hạt nhân chiếm tỷ trọng khoảng 6-10% sản lượng điện Việt Nam