Buzz
Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị được sử dụng để khởi động, duy trì và điều khiển phản ứng hạt nhân. Trên thực tế có hai loại lò chính.
- Lò phản ứng hạt nhân phát sinh năng lượng nhiệt là loại lò được sử dụng để tạo ra nhiệt từ phản ứng hạt nhân diễn ra ở vùng lõi (vùng hoạt) của lò. Đây là loại phổ biến nhất, đến mức 'lò phản ứng hạt nhân' thường được hiểu là loại này.
- Lò phản ứng hạt nhân được sử dụng trong nghiên cứu khoa học hoặc sản xuất đồng vị. Các cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ thực hiện phản ứng hạt nhân trong loại lò này rồi tách chiết ra các đồng vị phóng xạ khác nhau để cung cấp cho các cơ sở nghiên cứu khoa học, đo lường, y tế,...
Tại Việt Nam, hiện có 1 lò nghiên cứu kiểu IVV-9, đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Các lò phát năng lượng đang được kế hoạch xây dựng tại các nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận.
Nhiên liệu hạt nhân là các đồng vị có khả năng thực hiện phản ứng hạt nhân sinh nhiệt. Trong ứng dụng thực tế hiện nay chỉ có urani 235, urani 233 và plutoni 239 là các đồng vị có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân kiểm soát để tạo ra phản ứng chuỗi. Phản ứng tổng hợp deuteri → heli sinh nhiệt cao, nhưng chưa thể kiểm soát được.
Lò phản ứng hạt nhân phát nhiệt thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà máy phát điện, và một số tàu ngầm, tàu sân bay, tàu phá băng,... Điều này thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để sinh hơi nước làm quay tuốc bin hơi nước.
Trong tự nhiên, tại các mỏ urani, các điều kiện sinh quặng có thể ngẫu nhiên tạo ra vùng nhất định trong tầng quặng urani có hàm lượng đủ giàu và khối lượng đủ lớn để phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì xảy ra, tạo ra lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên. Điều này đã xảy ra ở mỏ urani Oklo tại nước Gabon vùng trung châu Phi hồi 1,7 tỷ năm trước đây. Phản ứng dây chuyền hạt nhân đã duy trì trong một vài trăm ngàn năm, đến khi hàm lượng Urani 235 giảm xuống dưới mức khả dĩ để duy trì phản ứng .
Nguyên tắc hoạt động
Tương tự 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 phản ứng phân hạch hạt nhân.
Sự phân hạch
Trong tự nhiên, một số hạt nhân đồng vị phóng xạ nặng như Urani 235 hoặc Plutoni 239 có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân. Khi một hạt nhân nguyên tử này hấp thụ một neutron, nó chuyển sang trạng thái kích thích với số nguyên tử lượng tăng 1, ví dụ U thành U, sau đó chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng ra nhiều năng lượng, bức xạ gamma và khoảng 2 - 3 neutron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch. Các neutron 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 phản ứng dây chuyền.
Tùy theo mức độ để thất thoát neutron ra khỏi khối vật liệu phân hạch mà phản ứng dây chuyền diễn ra theo cách khác nhau. Trong thực tế, người ta dùng giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối, và gọi là hệ số nhân neutron hiệu dụng K. Hệ số này phụ thuộc vào các yếu tố gồm khối lượng, mật độ, hình dạng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, nhiệt độ, và môi trường xung quanh. Trong số đó, khối lượng có vai trò quan trọng, và khối lượng tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định được gọi là khối lượng tới hạn.
- Phản ứng dây chuyền tự tắt: có K<1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng ít hơn số cần để duy trì như cũ. Các phản ứng xảy ra ở mức 'vết', với số lượng tỷ lệ với khối lượng đồng vị phân hạch có trong khối.
- Phản ứng dây chuyền tự duy trì: có K=1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng bằng số cần để duy trì phản ứng. Đây là trạng thái cần duy trì trong lò phản ứng hạt nhân.
- Phản ứng dây chuyền bùng nổ: có K>1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng lớn hơn số cần để duy trì phản ứng, làm cho số phản ứng tăng theo cấp số nhân. Trạng thái này có thể đẩy hệ thống thành mất kiểm soát, dẫn đến bùng nổ, và được ứng dụng trong chế tạo bom hạt nhân.
Trong lò phản ứng, khối lượng vật liệu phân hạch được bố trí ở mức khối lượng tới hạn, và thực hiện kiểm soát và điều chỉnh về đúng mức K=1 bằng các khối vật liệu của hai dạng tác động tới neutron:
- phản xạ hoặc/và làm chậm neutron để tăng số neutron hoạt động;
- hấp thụ neutron để giảm số neutron hoạt động, thường dùng là than chì.
Thông thường, khối phản xạ - làm chậm neutron được đặt ở vị trí cố định trong buồng phản ứng của lò. Các khối hấp thụ neutron được điều chỉnh và đặt ở các vị trí phù hợp và chính xác. Trong trường hợp sự cố, các khối hấp thụ được đẩy sâu vào vùng vật liệu phân hạch, hấp thụ nhiều neutron, giúp giảm hệ số K<1 để tắt phản ứng.
Các nguyên liệu hấp thụ neutron phổ biến bao gồm nước nhẹ (75% các lò phản ứng trên thế giới), than chì rắn (20%) và nước nặng (5%). Beryllium từng được sử dụng trong một số loại thí nghiệm và hydrocarbon đã được đề xuất sử dụng để duy trì trạng thái ổn định.
Phát nhiệt
Lõi lò phản ứng tạo ra nhiệt qua các bước sau:
- Động năng của sản phẩm từ phản ứng phân hạch được chuyển đổi thành nhiệt năng khi các hạt nhân này va chạm với các nguyên tử xung quanh.
- Một số tia gamma được tạo ra trong quá trình phản ứng phân hạch được lò phản ứng hấp thụ, và năng lượng từ đó được biến đổi thành nhiệt.
- Nhiệt năng được tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của sản phẩm và nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch được kích hoạt bởi sự hấp thụ neutron. Nguồn nhiệt phóng xạ này sẽ tiếp tục tồn tại trong trường hợp lò phản ứng tạm ngưng hoạt động.
1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) được chuyển đổi thông qua quá trình phản ứng hạt nhân, giải phóng khoảng 3 triệu lần năng lượng so với 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường ( jun/kilogram của uranium-235 so với jun/kilogram của than đá).
Làm mát
Chất làm mát cho lò phản ứng hạt nhân—thường là nước nhưng đôi khi là khí hoặc kim loại lỏng (như natri lỏng) hoặc muối nóng chảy—được lưu thông qua lõi lò phản ứng để hấp thụ nhiệt mà nó tạo ra. Nhiệt được dẫn đi từ lò phản ứng và sau đó được sử dụng để tạo hơi nước. Hầu hết các hệ thống lò phản ứng sử dụng một hệ thống làm mát được phân tách vật lý với nước được đun sôi để tạo ra hơi áp suất cho các turbine, giống như lò phản ứng nước áp suất. Tuy nhiên, trong một số lò phản ứng, nước cho turbine hơi được đun sôi trực tiếp bởi lõi lò phản ứng; ví dụ như lò phản ứng nước sôi.
Kiểm soát phản ứng
Điều khiển này được thực hiện bằng cách sử dụng các thanh điều khiển làm từ vật liệu hấp thụ neutron như cadmi.
Khi số lượng neutron trong lò tăng quá mức (k > 1), các thanh điều khiển được đưa sâu vào khu vực chứa nhiên liệu phân hạch để hấp thụ các neutron thừa. Năng lượng được giải phóng trong lò phản ứng sẽ duy trì ổn định theo thời gian.
Điện năng
Năng lượng được giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần có thể được chuyển đổi thành năng lượng có thể sử dụng. Một phương pháp phổ biến để khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao để vận hành turbine và sản xuất điện.
Nhân viên trong nhà máy điện hạt nhân
Nhà máy điện hạt nhân thường có dưới một nghìn người làm việc cho mỗi lò phản ứng (bao gồm cả nhân viên bảo vệ và kỹ sư).
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:
- Phân loại theo mục đích sử dụng
- Phân loại theo chất làm chậm
- Phân loại theo năng lượng của neutron
- 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
Nếu phân loại theo loại hình phản ứng, chúng ta có 5 kiểu lò phản ứng hạt nhân:
- Lò nước nhẹ
- Lò nước nặng
- Lò khí nhiệt độ cao
- Hệ lò dùng máy gia tốc
- Lò nơron nhanh
Điều khiển và vận hành
Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng là U235 hoặc Pu239.
Nhờ khả năng hấp thụ neutron tốt, Boron được áp dụng để điều khiển và vận hành lò phản ứng hạt nhân để duy trì trạng thái cân bằng (k = 1).
Có 2 phương pháp điều khiển lò phản ứng hạt nhân: Điều khiển bằng dung dịch (axit Boron) và điều khiển bằng cơ học (bằng cách di chuyển thanh điều khiển).
Việc điều khiển bằng dung dịch axit Boron là quá trình điều khiển lâu dài, chậm. Khi lò bắt đầu hoạt động, nồng độ Boron từ mức 9g/kg sẽ giảm dần xuống gần 0 vào cuối thời gian vận hành nhà máy.
Điều khiển cơ học bằng cách di chuyển thanh điều khiển, trong đó có Boron, lên xuống vùng hoạt động của lò phản ứng. Đây là phương pháp nhằm thay đổi trạng thái của lò một cách nhanh chóng.
Thanh nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân được thiết kế dạng dài bên ngoài và được bọc kín bằng kim loại chịu nhiệt cao. Bên trong là nhiên liệu được làm thành các viên trụ rời nhau, với một lỗ nhỏ ở giữa. Ở đầu thanh nhiên liệu có một khoang nhỏ để chứa khí sinh ra trong quá trình làm việc. Trong các lò phản ứng hiện đại như lò PWR-1200, thanh nhiên liệu còn chứa Cd, giúp tăng hiệu quả và đảm bảo an toàn hơn.
Chất làm mát (chất tản nhiệt) chảy qua các thanh nhiên liệu để hấp thụ nhiệt và làm mát chúng.
Chất làm chậm neutron được sắp xếp xen kẽ trong lò để mỗi lần phân hạch đều có ít nhất một neutron gây ra một phản ứng phân hạch mới. Trong các lò PWR, chất làm mát và chất làm chậm đều là nước, trong khi đó ở một số lò khác sử dụng graphit (than chì), nước nặng, beryli...
Trường hợp cần dừng lò phản ứng khẩn cấp, các thanh điều khiển được đẩy xuống cực độ và dung dịch axit Boron được bơm vào vùng hoạt động của lò.
Khi lò phản ứng bắt đầu hoạt động, số lượng neutron tự sinh ra rất ít, không đủ để khởi động chuỗi phản ứng. Do đó, người ta sử dụng phản ứng Helium để tạo ra neutron kích thích cho chuỗi phản ứng.
Năng lượng từ các mảnh phân hạch và neutron được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Lò phản ứng là một nguồn nhiệt lớn có thể tạo ra nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng này được truyền đi bằng chất tải nhiệt chảy qua các ống dẫn ở vùng trung tâm lò (có thể là nước, kim loại như Natri hoặc khí như CO2, Chì). Trong nhiều trường hợp, người ta sử dụng nước làm chất làm chậm và cũng là chất tải nhiệt.
