Cấu tạo của lò phản ứng hạt nhân như thế nào?

Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra.

Các yếu tố cấu thành lò phản ứng bao gồm:

1. Nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch.

2. Chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch tiếp theo.

3. Chất tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận bên ngoài.

4. Các thanh điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân.

Lò phản ứng hạt nhân sử dụng nhiên liệu gì?

Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng phân hạch như Uranium hoặc Plutonium.

Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7% ²³⁵U phân hạch, nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm than chì.

Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền, nhưng khả năng hấp thu nơtron lớn, nên không thể sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ.

Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium được làm giàu trên dưới 4% ở dạng ôxít Uranium. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh.

Chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân là gì?

Để dễ dàng tạo ra 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 được gọi là chất làm chậm.

Tính chất của chất làm chậm như sau:

a. Hấp thu nơtron hiệu quả.

b. Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao.

Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ.

Các loại chất làm chất làm chậm thông thường:

1. Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thu nơtron một cách lãng phí.

2. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt; do không hấp thu nơtron một cách 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.

Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân là gì?

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài được gọi là chất tải nhiệt.

Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; lò nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO₂ hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là Natri.

Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân là gì?

Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thu nơtron.

Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là Boron hoặc Cadmium.

Có những loại lò phản ứng hạt nhân nào?

Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm và chất tải nhiệt.

Dưới đây là một số loại lò phản ứng hạt nhân hiện nay đang được sử dụng trên thế giới:

- Lò khí.

- Lò nước nặng.

- Lò nước nhẹ.

- Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh.

Ngoài ra, còn có một số loại lò phản ứng hạt nhân khác được thiết kế, nhưng vẫn chưa được đưa vào sử dụng.

Lò khí

Lò khí là loại lò sử dụng khí làm chất tải nhiệt. Loại lò này chủ yếu phát triển ở Anh. Chất làm chậm là than chì và nhiên liệu có thể sử dụng Uranium tự nhiên.

Lúc đầu, loại lò này được dùng để sản xuất Pu (cho mục đích quân sự) và dùng không khí làm chất tải nhiệt.

Để phát triển loại lò này thành lò phản ứng phát điện, cần phải nâng nhiệt và áp lực của khí -chất tải nhiệt. Vì không thể sử dụng được không khí, nên khí CO₂ được dùng làm chất tải nhiệt. Từ đó đã ra đời loại lò khí kiểu Anh sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân.

Để cạnh tranh được với lò nước nhẹ đang dần trở nên phổ biến, người ta nâng thêm nhiệt độ và áp lực của khí (chất tải nhiệt). Tuy nhiên, nhiệt độ của khí CO₂ tăng cao tới mức độ nào đó sẽ không ổn định và vì thế mà không thể sử dụng được. Người ta đã phát triển loại lò khí tiên tiến hơn, sử dụng chất tải nhiệt là Heli, có thể ổn định ngay cả khi nhiệt độ cao, nhưng lại gặp khó khăn về kỹ thuật và kinh tế nên không thể cạnh tranh được với lò nước nhẹ.

Tuy vậy, các kinh nghiệm về lò khí vẫn được người ta vận dụng và việc phát triển lò khí nhiệt độ cao hiện vẫn đang được triển khai. Lò này sử dụng chất tải nhiệt là Heli, nhằm nâng nhiệt độ của khí đầu ra của lò lên hơn 750⁰C và nâng cao hiệu suất nhiệt. Loại lò này cũng đang có kế hoạch sử dụng đa mục đích, như sử dụng trong công nghiệp hóa học.

Lò nước nặng

Lò nước  nặng là lò phản ứng sử dụng nước nặng làm chất làm chậm. Loại lò này chủ yếu do Canada phát triển. So với nước nhẹ, nước nặng hấp thu rất ít nơtron, nên có thể sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu.

Lò nước nhẹ

Lò nước nhẹ là lò phản ứng sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt.

Có 2 loại lò nước nhẹ là PWR (Pressurized Water Reactor - Lò nước áp lực) và BWR (Boiling Water Reactor - Lò nước sôi).

PWR được phát triển cho mục đính quân sự, ví dụ như tạo sức đẩy cho tàu thuyền mà đặc biệt sử dụng cho tàu ngầm. Chu trình thứ nhất của lò phản ứng được thiết kế không làm sôi nước, mà truyền nhiệt sang chu trình thứ hai để tạo hơi nước; do vậy, hơi làm quay tuabin không bị nhiễm xạ.

BWR ngay từ đầu đã được phát triển cho mục đính hòa bình là phát điện. Nước được làm sôi trong chu trình thứ nhất của lò phản ứng và dùng hơi nước đó làm quay tuabin; do vậy, tuabin bị nhiễm xạ trong khi vận hành. Nhưng do không có chu trình thứ hai, nên cấu tạo lò đơn giản.

Uranium tự nhiên không thể sử dụng làm nhiên liệu cho lò nước nhẹ. Nhiên liệu sử dụng là dạng Ôxit Uranium làm giàu thấp, khoảng 4%.

Nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân khác nhau ở điểm gì?

Nhà máy điện hạt nhân, nếu tính từ việc làm sôi nước, chuyển thành hơi nước và dùng hơi nước làm quay tuốcbin, thì hoàn toàn giống như nhà máy nhiệt điện (than, dầu, khí tự nhiên). Điểm khác nhau là ở chỗ: nhiên liệu làm sôi nước trong nhà máy nhiệt điện là nhiên liệu hóa thạch, còn trong nhà máy điện hạt nhân, thì nhiên liệu sử dụng là Uranium và nước được đun sôi bên trong lò phản ứng.

Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân là Uranium. Tuy là nhiên liệu cháy, nhưng vì năng lượng nguyên tử là năng lượng phát sinh do phản ứng phân hạch, nên không cần oxy, chính vì thế mà hoàn toàn không thải ra các chất gây ô nhiễm môi trường như các loại khí CO₂ , NO_x,  SO_x.

Năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng rất lớn, nên chỉ với một lượng nhỏ nhiên liệu mà vẫn thu được năng lượng lớn. Nhiên liệu cần thiết cho một nhà máy điện hạt nhân có công suất 1000 MW vận hành trong suốt 1 năm là:         

Như vậy, nhiêu liệu cho năng lượng nguyên tử dễ vận chuyển và cất giữ.

Lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong nhà máy điện hạt nhân cũng rất ít . Chúng ta hãy cùng thử so sánh với chất thải thông thường và chất thải công nghiệp. Năm 1955, lượng chất thải bình quân của một người Nhật Bản trong một 1 năm là 3.900 kg. Trong khi đó, lượng chất thải phóng xạ phát sinh từ toàn bộ các nhà máy điện hạt nhân chưa đến 0,104 kg. Có nghĩa là chất thải từ nhà máy điện hạt nhân tuy phải mất công xử lý phóng xạ, nhưng vì lượng ít, nên quản lý cũng dễ dàng.

Nhà máy điện hạt nhân được lựa chọn phương án thiết kế an toàn tối ưu. Nó được thiết kế để sao cho dù có phát sinh tai nạn thế nào chăng nữa cũng không gây thiệt hại, tổn thất cho cư dân sống xung quanh. Có thể nói rằng, một nửa nhà máy điện hạt nhân là các thiết bị an toàn. Do đó, chi phí cao cho các thiết bị đó là đương nhiên. Hơn nữa, trong quá trình xây dựng, người ta tiến hành kiểm tra gắt gao ở từng công đoạn, để đảm bảo an toàn, nên thời gian xây dựng cũng khá dài. Việt Nam nếu xây dựng sẽ cần khoảng 5 năm.

Chi phí xây dựng cho nhà máy điện hạt nhân so với nhà máy nhiệt điện tương đối cao. Nhưng khi xây dựng xong và bước vào vận hành, thì nhà máy điện hạt nhân có những ưu điểm như sau:

Ở nhà máy điện hạt nhân, việc thay đổi công suất ứng với phụ tải khá đơn giản về mặt kỹ thuật, hơn nữa, do tỷ lệ chi phí nhiên liệu trong giá thành thấp, nên có lợi về kinh tế trong vận hành phụ tải đáy. Nếu vận hành liên tục toàn bộ công suất trong suốt một năm là 24h/ngày, thì có thể khai thác được 100% ưu thế của nhà máy điện hạt nhân.

Tuổi thọ thiết kế của nhà máy điện hạt nhân là 50 năm. Nếu bảo dưỡng đầy đủ sẽ có thể kéo dài vận hành tới 60 năm. Nếu vận hành trong thời gian dài và sớm kết thúc thời gian hoàn vốn thiết bị, thì chi phí phát điện sẽ giảm.

Bên trong lò phản ứng ABWR

Nếu suy nghĩ một cách tổng thể các vấn đề nêu trên và có cái nhìn lâu dài, thì điện hạt nhân so với nhiệt điện có thể cạnh tranh về mặt kinh tế.

Y. Iwakoshi