Đề tài Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị lương nguyên tử Lời Nói Đầu Ngày với tiến khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội phát triển không ngừng thành tựa khoa học đạt đưa kinh tế xã hội phát triển không ngừng đời sống xã hội người ngày cao đôi vói ô nhiễm môi trường tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt giới đòi hỏi nhà khoa học nghiên cứa thiết kế với sản phẩm thân thiên với môi trường Hiện lượng người sử dụng chủ yếu tài nguyên thiên nhiên tạo ra, nhu cầu lượng giới ngày tăng cao mà tài nguyên thiên nhiên ngày cạn kiệt, yêu cầu cần phải có nhà máy sản suất lương mà tác động đến thiên nhiên nhà máy sử dụng lượng nguyên tử đáp ứng đầy đủ yêu cầu nhà khoa học nghiên cứa người sử dụng nhà máy điện hạt nhân thay cho nhà máy điện khác thủy điện, nhiệt điên… giảm thiểu tình trạng phá hủy môi trường sinh thái tự nhiên đặc biệt giảm hiên tượng Anino ( tình trạng nóng lên trái đất ) Đối với nước ta nước phát triển với tốc độ phát triển cao đất nước tình trạng thiếu hụt trầm trọng lượng điện theo chuyên gia vói tình trạng sử dụng lượng điện ngày tăng nhà máy nhiệt điện thủy điện đáp ứng đủ nhu cầu lượng cho đất nước nhà máy điện nguyên tử đáp ứng đủ nhu cầu lượng đất nước, xemina xin giới thiệu cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị lượng nguyên tử Nha Trang ngày 23/11/2009 SVTH : Nguyễn Văn Chương Cấu tạo thiết bị lương nguyên tử Một thiết bị lương nguyên tử tàu gồm có phân sau :  Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy phản ứng phân hạch  Máy phát điện chạy nước, nơi nhiệt sinh từ phân hạch hạt nhân dùng để tạo  Turbine, dùng nước làm quay để chạy máy phát điện quay chân vịt  Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh nước, chuyển trở lại thành pha lỏng Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, nguyên liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt… lò phản ứng hạt nhân có cấu tạo khác Một lò phản ứng hạt nhân có nhiều phận khác nhau, quan trọng vùng phản ứng (hoạt động), nơi diễn phản ứng dây truyền Năng lượng tỏa từ phản ứng dây truyền chất dẫn nhiệt truyền Để điều khiển phản ứng dây truyền, người ta sử dụng hệ thống điều khiển bảo vệ, hệ thống làm từ vật liệu có khả hấp thụ hạt notron cao (Bo, Cd).Thanh điều khiển di chuyển lên cao xuống thấp gần nhiên liệu nhờ nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân) Bao quanh vùng phản ứng lớp vỏ bê tông dầy, gọi lớp vỏ bảo vệ sinh học, có nhiệm vụ làm giảm cường độ tia phóng xạ đến mức độ cho phép Giữa lớp vỏ bảo vệ sinh học lớp vỏ lò phản ứng hạt nhân, thường có thêm lớp vỏ bảo vệ “nóng”, có nhiệm vụ giảm bớt cường độ tia phóng xạ chiếu vào lớp bảo vệ sinh học Hình 3-1 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân 1- Lớp vỏ bảo vệ sinh học 2- Ống dẫn chất truyền nhiệt vào 3- Vỏ lò phản ứng hạt nhân 4- Ống dẫn chất truyền nhiệt – Nắp lò phản ứng 6.7.8.9 – Hệ thống điều khiển phản ứng dây truyền 10 – Gá đỡ 11 – Vùng phản ứng (hoạt động) 12 – Thanh nhiên liệu 13 – Bộ phận làm mát lớp vỏ bảo vệ sinh học 14 – Gá đỡ Thanh nhiên liệu: Nguyên liệu thường sử dụng lò phản ứng hạt nhân Uran-235, Uran-233, Plutoni-239 Phản ứng dây truyền xẩy tác động ban đầu notron Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu Uran-235 nghèo, notron kích hoạt notron lượng thấp (notron chậm) Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng Pu-239 Uran-235 giầu, thường sử dụng notron kích hoạt có lượng lớn (notron nhanh) Các lò phản ứng hạt nhân thông thường nay, sử dụng nguyên liệu UO2 chứa 5% Uran-235 Thanh nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng xếp vào hộp zircalloy (hợp kim zirconium, bền, chịu nhiệt độ cao không hấp thụ nơtron) Phổ biến dạng hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 Người ta chừa số vị trí để đặt điều khiển Các dạng nhiên liệu thường sử dụng lò phản ứng hạt nhân Chất làm chậm: Có nhiệm vụ làm giảm lượng hạt notron hình thành phản ứng dây truyền Chất làm chậm thường sử dụng nước H2O, nước nặng D2O graphite (than chì) Nước nặng có giá thành cao, nên sử dụng lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu Uran tự nhiên chưa qua làm giầu Thông thường sử dụng nước làm chất làm chậm Chất phản xạ: Có nhiệm vụ làm tăng số lượng hạt notron vùng phản ứng, không cho hạt notron bắn ngoài, làm hạt notron phân bố vùng phản ứng (hoạt động) Có thể kết hợp chất làm chậm chất phản xạ (nước, graphite) dùng Uran tự nhiên Chất truyền nhiệt: Truyền nhiệt từ vùng phản ứng Chất truyền nhiệt chạy ống áp lực, trực tiếp chạy qua vùng phản ứng Chất truyền nhiệt thông thường sử dụng nước, khí gas, kim loại nóng chảy (Natri) Thông thường để đảm bảo an toàn, nhà máy điện hạt nhân sử dụng đến vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt từ tâm lò phản ứng đến phận tạo Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt bơm vào vùng phản ứng, nhận lượng sinh từ phản ứng dây truyền, đến phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt đem đến phận tạo nước làm quay turbin Trong số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn có hai vòng thứ cấp Chất dẫn nhiệt vòng sơ cấp nước, nước nặng, khí gas… kim loại lỏng, tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân Chất dẫn nhiệt vòng thứ cấp thường nước Thiết bị vòng truyền nhiệt sơ cấp đặt lớp vỏ bảo vệ sinh học 1.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân: Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào chất làm chậm chất truyền nhiệt sử dụng lò phản ứng Lò phản ứng nước – nước: Các nhiên liệu xếp hộp đặt vùng phản ứng Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm Nước làm chất truyền nhiệt đưa vào bên lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ lên Áp suất lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa Lò nước áp lực tạo gián tiếp: Chất tải nhiệt vòng sơ cấp, giữ trạng thái lỏng áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, diễn trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp tạo dẫn tới turbin Lò nước sôi sinh trực tiếp cách làm sôi chất tải nhiệt lò Hơi tách khỏi chất lỏng thiết bị phân tách đặt phía vùng hoạt động, sau đưa tới turbin Lò phản ứng graphite: Graphite sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt lò phản ứng graphite nước nhẹ, nước nặng, gas, kim loại nóng chẩy Các nhiên liệu xếp ống dẫn chất truyền nhiệt Bao quanh ống dẫn graphite Ở nhiệt độ cao, graphite xẩy phản ứng với không khí, chất làm chậm graphite xếp vào hộp kín làm kim loại Lớp bảo vệ sinh học làm bê tông dầy, khí trơ Heli CO2 bơm vào bên lò phản ứng Cấu tạo lò phản ứng graphite – РБМК -1000 Vùng phản ứng (hoạt động) Ống dẫn nước Bộ phân tách nước Bơm Cổ góp điện Ống dẫn nước làm chất truyền nhiệt Lớp bảo vệ sinh học phía Hệ thống khởi động lò Lớp bảo vệ sinh học phía Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt lượng lớn (notron nhanh): Nguyên liệu sử dụng lò hỗn hợp U235 Pu239 làm giầu (15%) Phản ứng dây truyền xẩy tác động kích hoạt notron nhanh Bao quanh vùng phản ứng U238 Th232 có nhiệm vụ hấp thu toàn hạt notron nhanh, gọi vùng tái sinh nguyên liệu Các U238 Th232 hấp thụ notron trở thành Pu239, U233, tách trình tái chế Trong lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm notron kim loại lỏng (Na, K, hỗn hợp Na – K) sử dụng làm chất truyền nhiệt Lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng nguyên liệu làm giầu, xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa lớn (1000 kW/l), công suất loại lò phản ứng lớn Chất truyền nhiệt phải có khả trao đổi nhiệt nhanh, thường sử dụng kim loại lỏng (Na, K, hỗn hợp Na – K) sử dụng làm chất truyền nhiệt Cũng sử dụng nguyên liệu Uran làm giầu nên mức độ an toàn thấp loại lò khác Lò nhiệt độ cao tải nhiệt tải nhiệt khí gas, với graphite làm chất làm chậm Loại lò chưa vận hành thương mại, phương án thay cho thiết kế thông thường Nó dùng graphite chất làm chậm khí helium chất tải nhiệt Đặc điểm bật HTGR có độ an toàn cao Nhiên liệu chúng bọc lớp vỏ gốm chịu nhiệt độ 1.600oC nhiệt độ làm việc hiệu lò 95 độ C Helium dẫn trực tiếp tới turbin Ngoài ra, có số lò cải tiến khác với tính làm việc, độ an toàn tuổi thọ nâng lên trình xin cấp phép số nước xây dựng vào năm 2010 Tên kí hiệu loại lò phản ứng thông dụng giới ABWR - Lò nước sôi cải tiến AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt BWR - Lò nước sôi FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat lượng lớn (notron nhanh) GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt khí gas, với graphite làm chất làm chậm HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm chậm РБМК - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt PHWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt làm chậm PWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt SGHWR - Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt ВВЭР - Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR) Các lò phản ứng hạt nhân hệ ( hệ thứ )  Lò phản ứng nhanh làm mát khí (gas-cooled fast reactor - GFR)  Lò phản ứng nhanh làm mát chì (lead-cooled fast reactor - LFR)  Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR)  Lò phản ứng nhanh làm mát natri (sodium-cooled fast reactor – SFR)  Lò phản ứng làm mát nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled reactor SCWR)  Lò phản ứng nhiệt độ cao (very high temperature reactor - VHTR)/Nhà máy hạt nhân hệ (next - generation nuclear plant - NGNP) Nguyên lý hoạt động thiết bị lượng nguyên tử 2.1 nhiên liệu dùng cho nhà máy hạt nhân Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân sử dụng chất có khả phân hạch Uranium Plutonium Uranium tự nhiên chứa 0,7% 235U phân hạch, nên sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron sử dụng chúng cách hiệu lò nước nặng lò phản ứng làm nguội khí dùng chất làm chậm than chì Nước làm nhẹ dễ điều chế rẻ tiền, khả hấp thu nơtron lớn, nên sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium làm giàu 4% dạng ôxít Uranium Còn Pu thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh Để dễ dàng tạo phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron gọi chất làm chậm Tính chất chất làm chậm sau: a Hấp thu nơtron hiệu b Giảm tốc độ nơtron với hiệu suất cao Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường nguyên tố có số nguyên tử nhỏ 10 Các loại chất làm chất làm chậm thông thường: Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm tốt, giá thành rẻ có nhược điểm hấp thu nơtron cách lãng phí Nước nặng có hiệu suất làm chậm tốt; không hấp thu nơtron cách lãng phí, nên nói chất làm giảm tốc lý tưởng, giá thành cao khó điều chế Than chì (Graphite) hiệu suất làm chậm thấp, lại hấp thu nơtron giá tương đối rẻ 2.2 nguyên Lý hoạt động 1) "Reactor" (Tạm dịch "Lò phản ứng nguyên tử): Gồm có lò phản ứng nguyên tử phận kiểm soát, điều hòa phát nhiệt 2) "Primary System" (Tạm dich Hệ Thống Chính): Gồm có hệ thống nước hay nước nặng ("Water": H2O "Heavy Water": D2O) luân lưu để lấy nhiệt từ lò phản ứng (Nuclear Reactor) 3) "Secondary System" (Tạm dịch Hệ thống Phụ) gồm mạch nước thường, chuyển nhiệt ("Heat Exchanger") từ Hệ Thống Chính, tạo nước thường (H2O) nhiệt độ áp suất cao, dùng để phun vào, làm quay "Turbine" sinh điện "Dynamo" Hơi nước nóng chạy "Turbine" tận dụng đến tối đa để tránh phí phạm nhiên liệu nguyên tử, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường (Tăng nhiệt độ sông ngòi nước nóng thải ra) 4) "Electrical System": (Tạm dịch Hệ Thống Điện) Gồm hệ thống liên quan đến mạch điện bên nhà máy, điều chỉnh lương điện phát để cung cấp cho giới tiêu thụ Hơn nữa, có "Feed Back" qua "System" khác để điều hòa công suất Và khởi động toàn nhà máy, hệ thống phát điện nhỏ, riêng rẽ xử dụng "System" có hệ thống báo động, hệ thống tự động đóng hay mở "Valve" nước mạch điện khác nhau, tùy theo việc bất bình thường hay nguy cấp xẩy đến 11 Hình 3: Sơ đồ hoạt động NMNĐ 12 [...]... lãng phí, nên có thể nói đây là chất làm giảm tốc lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều chế 3 Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại ít hấp thu nơtron và giá tương đối rẻ 2.2 nguyên Lý hoạt động 1) "Reactor" (Tạm dịch là "Lò phản ứng nguyên tử) : Gồm có 1 lò phản ứng nguyên tử và các bộ phận kiểm soát, điều hòa sự phát nhiệt năng 2) "Primary System" (Tạm dich là Hệ Thống Chính):... nhiệt năng từ lò phản ứng (Nuclear Reactor) 3) "Secondary System" (Tạm dịch là Hệ thống Phụ) gồm các mạch nước thường, chuyển nhiệt ("Heat Exchanger") từ Hệ Thống Chính, tạo ra hơi nước thường (H2O) ở nhiệt độ và áp suất cao, dùng để phun vào, làm quay những "Turbine" sinh ra điện như "Dynamo" Hơi nước nóng chạy "Turbine" được tận dụng đến tối đa để tránh phí phạm nhiên liệu nguyên tử, và giảm thiểu... khởi động toàn bộ nhà máy, một hệ thống phát điện nhỏ, riêng rẽ được xử dụng "System" nào cũng có những hệ thống báo động, và các hệ thống tự động đóng hay mở các "Valve" nước và các mạch điện khác nhau, tùy theo từng sự việc bất bình thường hay nguy cấp xẩy đến 11 Hình 3: Sơ đồ hoạt động của NMNĐ 12 ... và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường (Tăng nhiệt độ của sông ngòi do hơi nước nóng thải ra) 4) "Electrical System": (Tạm dịch là Hệ Thống Điện) Gồm các hệ thống liên quan đến mạch điện bên trong nhà máy, điều chỉnh lương điện phát ra để cung cấp cho giới tiêu thụ Hơn nữa, còn có "Feed Back" qua các "System" khác để điều hòa công suất Và khi khởi động toàn bộ nhà máy, một hệ thống phát điện nhỏ, riêng