Nhà máy điện nguyên tử

Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là hệ thống thiết bị được thiết kế để kiểm soát và duy trì phản ứng hạt nhân ở trạng thái ổn định nhằm sinh ra nhiệt năng. Nhiệt này sau đó được truyền qua các chất tải nhiệt như nước, nước nặng, khí, hay kim loại lỏng tới các thiết bị như tuabin để chuyển hóa thành điện năng.

Lịch sử phát triển

Năng lượng điện được tạo ra từ lò phản ứng hạt nhân lần đầu vào ngày 3 tháng 9 năm 1948 tại Lò phản ứng Graphite X-10 ở Oak Ridge, Tennessee, Hoa Kỳ.

Vào cuối những năm 1940, trước khi bom hạt nhân đầu tiên của Liên Xô được thử nghiệm vào ngày 29 tháng 8 năm 1949, các nhà khoa học Liên Xô đã khởi động dự án đầu tiên nhằm khai thác năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình, đây là bước quan trọng để giải quyết vấn đề năng lượng cấp thiết trong tương lai.

Năm 1948, theo đề xuất của I. V. Kurchatov - nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực hạt nhân của Liên Xô - ông cùng nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào việc nghiên cứu đầu tiên để ứng dụng năng lượng hạt nhân vào sản xuất điện năng.

Vào tháng 5 năm 1950, công việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên bắt đầu gần ngôi làng Obninsk thuộc tỉnh Kaluga (Liên Xô cũ).

Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới với công suất 5 MW đã được kết nối vào lưới điện quốc gia vào ngày 27 tháng 6 năm 1954 ở thành phố Obninsk, tỉnh Kaluga, Liên Xô. Đến năm 1958, các nhà máy khác cũng bắt đầu hoạt động, bao gồm tổ máy số 1 của nhà máy điện hạt nhân Sibirskaya với công suất 100 MW, và khi dự án hoàn thành, tổng công suất lên tới 600 MW. Cùng năm đó, nhà máy Beloyarskaya bắt đầu xây dựng và tổ máy phát điện đầu tiên hoạt động vào ngày 26 tháng 4 năm 1964. Tháng 8 năm 1964, khối 1 của nhà máy Novovoronezhskaya với công suất 210 MW được khởi công, và khối 2 với công suất 365 MW được khởi công vào tháng 12 năm 1969. Năm 1973, nhà máy điện hạt nhân Leningradskaya được khởi công.

Sau khi Liên Xô, các nhà máy điện hạt nhân khác cũng được xây dựng. Nhà máy điện hạt nhân Calder Hall ở Anh, có công suất ban đầu 46 MW, bắt đầu hoạt động vào ngày 27 tháng 8 năm 1956. Một năm sau, nhà máy điện hạt nhân Beaver Valley với công suất 60 MW bắt đầu được xây dựng tại Shippingport, Pennsylvania, Mỹ.

Năm 1979, một sự cố nghiêm trọng xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island ở Mỹ. Sau sự kiện này, Hoa Kỳ đã ngừng xây dựng các lò phản ứng mới và dự kiến đến năm 2017 sẽ chỉ hoàn thành 2 lò phản ứng mới trong khu nhà máy cũ.

Vào năm 1986, sự cố nổ tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl đã gây ra một thảm họa hạt nhân nghiêm trọng. Sự cố này không chỉ gây ô nhiễm phóng xạ mà còn ảnh hưởng đến sự phát triển của ngành năng lượng hạt nhân. Nó đã thúc đẩy các chuyên gia toàn cầu xem xét lại các vấn đề an toàn và tăng cường hợp tác quốc tế để nâng cao an toàn trong khai thác và sử dụng năng lượng hạt nhân.

Vào ngày 15 tháng 5 năm 1989, tại cuộc họp thành lập ở Moskva, Hiệp hội Thế giới các nhà vận hành nhà máy điện hạt nhân (WANO) đã được thành lập. Đây là một tổ chức chuyên nghiệp quốc tế kết nối các cơ sở vận hành nhà máy điện hạt nhân trên toàn cầu. Hiệp hội có nhiệm vụ soạn thảo và triển khai các kế hoạch nhằm đảm bảo sự phát triển và vận hành an toàn cho ngành điện hạt nhân trên toàn thế giới.

Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất ở châu Âu là Nhà máy điện Zaporizhskaya, tọa lạc tại thành phố Enerhodar, tỉnh Zaporizhia, Ukraina. Được khởi công vào năm 1980, nhà máy bắt đầu hoạt động vào năm 1996 với 6 tổ máy, tổng công suất đạt 6 GW.

Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới là Nhà máy điện Kashiwazaki-Kariwa ở Nhật Bản, bắt đầu vận hành từ năm 2008 tại thành phố Kashiwazaki, tỉnh Niigata. Nhà máy này có 5 lò phản ứng nước sôi (BWR) và 2 lò phản ứng nước sôi tiên tiến (ABWR), tổng công suất đạt 8,212 GW.

Sự cố nhà máy điện hạt nhân gần đây nhất là vụ sự cố tại Nhà máy điện Fukushima 1 ở Nhật Bản vào tháng 3 năm 2011. Sự cố xảy ra do ảnh hưởng lớn của trận động đất, đã làm hư hại cấu trúc lò, hệ thống làm mát bị gián đoạn và các thanh nhiên liệu bị nóng chảy. Vụ việc đã gây ra hậu quả nghiêm trọng, bao gồm ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng. Phóng xạ phát tán theo gió và đã được phát hiện tại Việt Nam sau vụ nổ tại Fukushima.

Sản xuất điện năng

Năng lượng điện hạt nhân, với mục tiêu hòa bình là sản xuất điện năng phục vụ đời sống, đóng vai trò quan trọng trong ngành năng lượng hiện nay.

• Mỹ (836,63 triệu KWh/năm), sở hữu 104 lò phản ứng hạt nhân, chiếm 20% tổng năng lượng điện
• Pháp (439,74 triệu KWh/năm)
• Nhật Bản (263,83 triệu KWh/năm)
• Nga (177,39 triệu KWh/năm)
• Hàn Quốc (142,94 triệu KWh/năm)
• Đức (140,53 triệu KWh/năm)

Tình hình hiện tại, triển vọng và tương lai

Trên toàn thế giới, các nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng ở 31 quốc gia. Tính đến năm 2014, có 388 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động với tổng công suất 333 GW. Công ty TVEL của Nga cung cấp nhiên liệu cho 73 trong số 388 lò phản ứng này, chiếm 17% thị trường toàn cầu.

Hiện tại, có 45 lò phản ứng hạt nhân không sản xuất điện trong hơn một năm rưỡi, chủ yếu là của Nhật Bản.

Theo báo cáo năm 2014 về ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân, sự phát triển của nó đang có xu hướng giảm. Đỉnh cao của sự phát triển được ghi nhận vào năm 2006 với mức công suất điện là 2,66 TW. Tỷ lệ năng lượng hạt nhân trong tổng năng lượng điện toàn cầu giảm từ 17,6% năm 1996 xuống còn 10,8% vào năm 2013.

Hai phần ba số lò phản ứng hạt nhân hiện nay được xây dựng tại Trung Quốc, Ấn Độ và Nga. Trong tương lai, sẽ có nhiều nhà máy điện hạt nhân mới được xây dựng, mặc dù vấn đề này vẫn đang gây tranh cãi. Sự cố tại nhà máy Fukushima-1 ở Nhật Bản vào năm 2011 đã dấy lên câu hỏi về việc có nên tiếp tục sử dụng năng lượng hạt nhân hay không. Tuy nhiên, trên toàn cầu, dự kiến trong 20 năm tới sẽ có thêm 8 lò phản ứng mới được xây dựng.

Nghiên cứu cho thấy tuổi thọ trung bình của các lò phản ứng hạt nhân là 28,5 năm. Lò phản ứng hạt nhân có tuổi thọ dài nhất hiện nay là ở Thụy Sĩ với hơn 45 năm hoạt động. Đã có 153 lò phản ứng ngừng hoạt động, với thời gian làm việc trung bình của chúng là 23 năm.

Viện sĩ Anatoly Alexandrov nhận định rằng 'năng lượng hạt nhân khổng lồ sẽ mang lại những lợi ích to lớn cho nhân loại và giải quyết nhiều vấn đề cấp bách hiện nay'.

Nga là quốc gia đầu tiên trên thế giới xây dựng nhà máy điện hạt nhân nổi, giúp giải quyết tình trạng thiếu hụt năng lượng ở các vùng ven biển xa xôi của đất nước.

Tại Mỹ và Nhật Bản, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển các nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ với công suất từ 10-20 MW. Những nhà máy này nhằm phục vụ nhiều mục đích khác nhau như cung cấp nhiệt cho các khu chung cư, điện cho các khu sản xuất riêng biệt, và trong tương lai có thể là cho các hộ gia đình. Việc giảm công suất như vậy đồng nghĩa với việc cần sản xuất số lượng lò lớn, đặt ra một thách thức đáng kể cho các nhà khoa học tại Mỹ và Nhật Bản.

Phân loại nhà máy điện hạt nhân

- Theo mục đích sử dụng (lò hạt nhân thí nghiệm, lò phản ứng hạt nhân thương mại)

- Theo chất tải nhiệt (lò khí, lò nước, lò kim loại,...)

- Theo loại neutron (lò phản ứng neutron nhiệt, lò phản ứng neutron nhanh)

- Phân loại theo công suất

- Phân loại theo thế hệ của lò phản ứng

Nguyên lý hoạt động

Sơ đồ dưới đây minh họa nguyên lý làm việc của nhà máy điện hạt nhân với hai vòng tuần hoàn. Năng lượng nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch Uranium-235 trong vùng hoạt của lò. Nhiệt lượng này được truyền cho chất tải nhiệt, rồi được bơm qua vòng tuần hoàn đầu tiên. Chất tải nhiệt sau khi hấp thụ nhiệt sẽ dẫn đến bộ trao đổi nhiệt trong lò hơi. Tại đây, nhiệt từ chất tải nhiệt được truyền cho nước trong vòng tuần hoàn thứ hai. Nước trong lò hơi sẽ sôi, tạo ra hơi nước. Hơi nước này được dẫn đến Turbin, làm Turbin quay và sinh ra điện năng.

Sau khi hơi nước đi qua Turbin, nó sẽ được dẫn đến bộ phận ngưng tụ, nơi mà hơi nước được làm lạnh và chuyển thành nước. Nước này sau đó được bơm trở lại lò hơi để bắt đầu một chu trình mới.

Chất tải nhiệt trong vòng tuần hoàn đầu tiên, sau khi đi qua bộ trao đổi nhiệt, mất một phần nhiệt năng và sau đó được bơm quay trở lại lò phản ứng để tiếp tục chu kỳ hoạt động.

Bộ phận bù áp suất là một cấu kiện quan trọng và phức tạp, đảm bảo áp suất của lò phản ứng luôn ổn định. Khi nhiệt độ chất tải nhiệt thay đổi, áp suất của lò cũng biến động, và bộ phận này phải điều chỉnh nhịp nhàng và nhanh chóng, đặc biệt trong khoảng thời gian phản ứng phân hạch diễn ra nhanh chóng, từ 10 giây đến 10 giây. Đối với lò phản ứng sử dụng nước làm chất tải nhiệt, bộ phận bù áp giữ áp suất cao (lò PWR thường ở 160 atm) để nước không sôi.

Ngoài nước, còn có các chất tải nhiệt khác như CO₂ (được sử dụng tại Anh), nước nặng, và các kim loại lỏng như Natri, Chì, Thủy ngân. Natri được dùng trong lò phản ứng Neutron nhanh tại Nga, với ba vòng tuần hoàn: vòng một và hai là Natri, và vòng ba là nước nhẹ. Việc sử dụng kim loại lỏng giúp đơn giản hóa thiết kế lò phản ứng, và bộ phận bù áp phức tạp có thể không còn cần thiết.

Số vòng tuần hoàn của lò phản ứng có thể thay đổi tùy vào loại lò, ví dụ như lò PWR sử dụng nước-nước. Nga phát triển lò RBMK với một vòng tuần hoàn, nơi nước sôi ngay trên thanh nhiên liệu và tạo ra hơi nước trực tiếp cho Turbin. Nếu không thể cung cấp đủ nước để làm lạnh hơi nước trong quá trình ngưng tụ, các nhà máy điện xây dựng hồ chứa và tháp ngưng tụ. Tháp này giúp tăng cường quá trình đối lưu và ngưng tụ, và đã trở thành đặc trưng nổi bật của các nhà máy điện hạt nhân.