Đề tài: Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động của thiết bị năng lương nguyên tử docx

BÀI CEMINA TRANG BỊ
BÀI CEMINA TRANG BỊ
ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
Đề bài
Đề bài
: Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động của
: Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động của
thiết bị năng lương nguyên tử
thiết bị năng lương nguyên tử
GVHD : Nguyễn Đình Long
SVTH : Nguyễn Văn Chương
MSSV : 48132035
1.
1.
Cấu tạo của thiết bị năng lượng nguyên tử
Cấu tạo của thiết bị năng lượng nguyên tử
►
Một thiết bị năng lương nguyên tử trên tàu
Một thiết bị năng lương nguyên tử trên tàu
gồm có các bộ phân sau :
gồm có các bộ phân sau :
►
Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor
Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor
core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.
core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.
►
Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi
Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi
nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được

nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được
dùng để tạo hơi.
dùng để tạo hơi.
►
Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để
Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để
chạy máy phát điện và quay chân vịt.
chạy máy phát điện và quay chân vịt.
►
Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh
Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh
hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.
hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.
►
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thanh nguyên
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thanh nguyên
liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt… lò phản
liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt… lò phản
ứng hạt nhân có cấu tạo khác nhau.
ứng hạt nhân có cấu tạo khác nhau.
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 ra
5 – Nắp lò phản ứng
6.7.8.9 – Hệ thống điều khiển phản ứng dây
truyền
10 – Gá đỡ trên
11 – Vùng phản ứng (hoạt động)

12 – Thanh nhiên liệu
13 – Bộ phận làm mát lớp vỏ bảo vệ sinh
học
14 – Gá đỡ dưới.
►
Thanh nhiên liệu
Thanh nhiên liệu
:
:
Nguyên liệu thường được sử
Nguyên liệu thường được sử
dụng trong các lò phản ứng hạt nhân là Uran-
dụng trong các lò phản ứng hạt nhân là Uran-
235, Uran-233, hoặc Plutoni-239. Phản ứng
235, Uran-233, hoặc Plutoni-239. Phản ứng
dây truyền được xẩy ra dưới tác động ban đầu
dây truyền được xẩy ra dưới tác động ban đầu
của các notron.
của các notron.
►
Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu
Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu
Uran-235 nghèo, notron kích hoạt là các
Uran-235 nghèo, notron kích hoạt là các
notron năng lượng thấp (notron chậm). Các lò
notron năng lượng thấp (notron chậm). Các lò
phản ứng hạt nhân sử dụng Pu-239 hoặc Uran-
phản ứng hạt nhân sử dụng Pu-239 hoặc Uran-
235 giầu, thường sử dụng notron kích hoạt có
235 giầu, thường sử dụng notron kích hoạt có

năng lượng lớn (notron nhanh).
năng lượng lớn (notron nhanh).
►
Các lò phản ứng hạt nhân thông thường hiện
Các lò phản ứng hạt nhân thông thường hiện
nay, sử dụng nguyên liệu UO2 chứa 5% Uran-
nay, sử dụng nguyên liệu UO2 chứa 5% Uran-
235. Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt
235. Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt
nhân được làm thành dạng viên Uranium
nhân được làm thành dạng viên Uranium
oxide hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được
oxide hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được
xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của
xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của
zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và
zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và
không hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng
không hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng
hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng
hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng
200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí
200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí
trong đó để đặt các thanh điều khiển.
trong đó để đặt các thanh điều khiển.
Các dạng thanh nhiên liệu thường sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân
1.2 phân loại các lò phăn ứng hạt nhân
Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới
đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các
chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong

lò phản ứng
►
Lò phản ứng nước – nước:
Lò phản ứng nước – nước:
Các thanh nhiên
Các thanh nhiên
liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản
liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản
ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa
ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa
làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền
làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền
nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng,
nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng,
chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên
chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên
trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước
trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước
khoảng 1-2MPa.
khoảng 1-2MPa.
►
Lò phản ứng graphite:
Lò phản ứng graphite:
Graphite được sử
Graphite được sử
dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt
dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt
trong lò phản ứng graphite có thể là nước
trong lò phản ứng graphite có thể là nước
nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng

nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng
chẩy
chẩy
Cấu tạo lò phản ứng
graphite – РБМК -1000
1. Vùng phản ứng (hoạt
động).
2. Ống dẫn hơi nước.
3. Bộ phân tách hơi
nước.
4. Bơm chính.
5. Cổ góp điện.
6. Ống dẫn nước làm
chất truyền nhiệt.
7. Lớp bảo vệ sinh học
phía trên.
8. Hệ thống khởi động lò.
9. Lớp bảo vệ sinh học
phía dưới
Hình vẽ : Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân
►
Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt năng
Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt năng
lượng lớn (notron nhanh): Nguyên liệu sử
lượng lớn (notron nhanh): Nguyên liệu sử
dụng trong lò là hỗn hợp U235 và Pu239
dụng trong lò là hỗn hợp U235 và Pu239
được làm giầu (15%). Phản ứng dây truyền
được làm giầu (15%). Phản ứng dây truyền
xẩy ra dưới tác động kích hoạt của các

xẩy ra dưới tác động kích hoạt của các
notron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là
notron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là
các tấm U238 hoặc Th232 có nhiệm vụ hấp
các tấm U238 hoặc Th232 có nhiệm vụ hấp
thu toàn bộ các hạt notron nhanh, còn gọi là
thu toàn bộ các hạt notron nhanh, còn gọi là
vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U238 và
vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U238 và
Th232 khi hấp thụ notron sẽ trở thành
Th232 khi hấp thụ notron sẽ trở thành
Pu239, U233, nó sẽ tách ra trong quá trình
Pu239, U233, nó sẽ tách ra trong quá trình
tái chế.
tái chế.
►
Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng
Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng
khí gas, với graphite làm chất làm chậm.
khí gas, với graphite làm chất làm chậm.
Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương
Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương
mại, là một phương án thay thế cho thiết kế
mại, là một phương án thay thế cho thiết kế
thông thường. Nó dùng graphite là chất làm
thông thường. Nó dùng graphite là chất làm
chậm và khí helium là chất tải nhiệt.
chậm và khí helium là chất tải nhiệt.
►
Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn

Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn
cao. Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp
cao. Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp
vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600oC
vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600oC
trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là
trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là
95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp tới
95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp tới
turbin.
turbin.
►
Ngoài ra, còn có một số lò cải tiến khác với
Ngoài ra, còn có một số lò cải tiến khác với
tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ
tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ
được nâng lên đang trong quá trình xin cấp
được nâng lên đang trong quá trình xin cấp
phép ở một số nước và có thể được xây dựng
phép ở một số nước và có thể được xây dựng
vào năm 2010.
vào năm 2010.
►
Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông
Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông
dụng trên thế giới
dụng trên thế giới
►
ABWR - Lò nước sôi cải tiến
ABWR - Lò nước sôi cải tiến

AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất
AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
BWR - Lò nước sôi
BWR - Lò nước sôi
FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat
FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat
năng lượng lớn (notron nhanh)
năng lượng lớn (notron nhanh)
GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất
GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt bằng khí
HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt bằng khí
gas, với graphite làm chất làm chậm.
gas, với graphite làm chất làm chậm.
HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm
HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm
chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm
HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm
chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm
chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm
chậm.
chậm.
►
РБМК

РБМК
- Lò phản ứng dùng graphite làm chất
- Lò phản ứng dùng graphite làm chất
làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt.
làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt.
PHWR
PHWR
- Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng
- Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng
làm chất dẫn nhiệt và làm chậm
làm chất dẫn nhiệt và làm chậm
PWR
PWR
- Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ
- Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ
làm chất truyền nhiệt.
làm chất truyền nhiệt.
SGHWR
SGHWR
- Lò phản dùng nước nặng làm chất
- Lò phản dùng nước nặng làm chất
truyền nhiệt
truyền nhiệt
ВВЭР
ВВЭР
- Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga,
- Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga,
tương đương lò PWR
tương đương lò PWR
.

.
►
Các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới ( thế
Các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới ( thế
hệ thứ 4 ).
hệ thứ 4 ).
2.
2.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị năng
Nguyên lý hoạt động của thiết bị năng
lượng nguyên tử.
lượng nguyên tử.
2.1. Nhiên liệu dùng cho nhà máy hạt nhân
2.1. Nhiên liệu dùng cho nhà máy hạt nhân
.
.
►
Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể
Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể
sử dụng các chất có khả năng phân hạch như
sử dụng các chất có khả năng phân hạch như
Uranium hoặc Plutonium.
Uranium hoặc Plutonium.
►
Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7% 235U phân
Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7% 235U phân
hạch, nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò
hạch, nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò
phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng
phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng

một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò
một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò
phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất
phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất
làm chậm than chì.
làm chậm than chì.
►
Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền,
Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền,
nhưng khả năng hấp thu nơtron lớn, nên
nhưng khả năng hấp thu nơtron lớn, nên
không thể sử dụng Uranium tự nhiên làm
không thể sử dụng Uranium tự nhiên làm
nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ
nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ
.
.
►
Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu
Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu
Uranium được làm giàu trên dưới 4% ở dạng
Uranium được làm giàu trên dưới 4% ở dạng
ôxít Uranium. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên
ôxít Uranium. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên
liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh.
liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh.
►
Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt
Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt
nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron

nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron
tốc độ cao thành nơtron nhiệt.
tốc độ cao thành nơtron nhiệt.
►
Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi
Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi
là chất làm chậm.
là chất làm chậm.
►
Tính chất của chất làm chậm như sau:
Tính chất của chất làm chậm như sau:


a. Hấp thu nơtron hiệu quả.
a. Hấp thu nơtron hiệu quả.
b. Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao.
b. Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao.
►
Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm
Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm
thường là những nguyên tố có số nguyên tử
thường là những nguyên tố có số nguyên tử
nhỏ.
nhỏ.
Các loại chất làm chất làm chậm thông thường:
Các loại chất làm chất làm chậm thông thường:
►
1. Nước nhẹ (
1. Nước nhẹ (
nước thông thường)

nước thông thường)
có hiệu
có hiệu
suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có
suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có
nhược điểm là hấp thu nơtron một cách lãng
nhược điểm là hấp thu nơtron một cách lãng
phí.
phí.
►
2. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm
2. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm
tốt; do không hấp thu nơtron một cách lãng
tốt; do không hấp thu nơtron một cách lãng
phí, nên có thể nói đây là chất làm giảm tốc
phí, nên có thể nói đây là chất làm giảm tốc
lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều
lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều
chế.
chế.
►
3. Than chì
3. Than chì
(Graphite)
(Graphite)
tuy hiệu suất làm chậm
tuy hiệu suất làm chậm
thấp, nhưng lại ít hấp thu nơtron và giá tương
thấp, nhưng lại ít hấp thu nơtron và giá tương
đối rẻ.

đối rẻ.
2.2. nguyên Lý hoạt động.
2.2. nguyên Lý hoạt động.
►
1) "Reactor" (Tạm dịch là "Lò phản ứng
1) "Reactor" (Tạm dịch là "Lò phản ứng
nguyên tử): Gồm có 1 lò phản ứng nguyên tử
nguyên tử): Gồm có 1 lò phản ứng nguyên tử
và các bộ phận kiểm soát, điều hòa sự phát
và các bộ phận kiểm soát, điều hòa sự phát
nhiệt năng.
nhiệt năng.
►
2) "Primary System" (Tạm dich là Hệ Thống
2) "Primary System" (Tạm dich là Hệ Thống
Chính): Gồm có các hệ thống nước hay nước
Chính): Gồm có các hệ thống nước hay nước
nặng ("Water": H2O hay là "Heavy Water":
nặng ("Water": H2O hay là "Heavy Water":
D2O) luân lưu để lấy nhiệt năng từ lò phản
D2O) luân lưu để lấy nhiệt năng từ lò phản
ứng (Nuclear Reactor).
ứng (Nuclear Reactor).
►
3) "Secondary System" (Tạm dịch là Hệ thống
3) "Secondary System" (Tạm dịch là Hệ thống
Phụ) gồm các mạch nước thường, chuyển
Phụ) gồm các mạch nước thường, chuyển
nhiệt ("Heat Exchanger") từ Hệ Thống Chính,
nhiệt ("Heat Exchanger") từ Hệ Thống Chính,

tạo ra hơi nước thường (H2O) ở nhiệt độ và
tạo ra hơi nước thường (H2O) ở nhiệt độ và
áp suất cao, dùng để phun vào, làm quay
áp suất cao, dùng để phun vào, làm quay
những "Turbine" sinh ra điện như "Dynamo".
những "Turbine" sinh ra điện như "Dynamo".
►
Hơi nước nóng chạy "Turbine" được tận dụng
Hơi nước nóng chạy "Turbine" được tận dụng
đến tối đa để tránh phí phạm nhiên liệu
đến tối đa để tránh phí phạm nhiên liệu
nguyên tử, và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi
nguyên tử, và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi
trường (Tăng nhiệt độ của sông ngòi do hơi
trường (Tăng nhiệt độ của sông ngòi do hơi
nước nóng thải ra).
nước nóng thải ra).
►
4) "Electrical System": (Tạm dịch là Hệ
4) "Electrical System": (Tạm dịch là Hệ
Thống Điện) Gồm các hệ thống liên quan đến
Thống Điện) Gồm các hệ thống liên quan đến
mạch điện bên trong nhà máy, điều chỉnh
mạch điện bên trong nhà máy, điều chỉnh
lương điện phát ra để cung cấp cho giới tiêu
lương điện phát ra để cung cấp cho giới tiêu
thụ. Hơn nữa, còn có "Feed Back" qua các
thụ. Hơn nữa, còn có "Feed Back" qua các
"System" khác để điều hòa công suất. Và khi
"System" khác để điều hòa công suất. Và khi

khởi động toàn bộ nhà máy, một hệ thống
khởi động toàn bộ nhà máy, một hệ thống
phát điện nhỏ, riêng rẽ được xử dụng.
phát điện nhỏ, riêng rẽ được xử dụng.
"System" nào cũng có những hệ thống báo
"System" nào cũng có những hệ thống báo
động, và các hệ thống tự động đóng hay mở
động, và các hệ thống tự động đóng hay mở
các "Valve" nước và các mạch điện khác
các "Valve" nước và các mạch điện khác
nhau, tùy theo từng sự việc bất bình thường
nhau, tùy theo từng sự việc bất bình thường
hay nguy cấp xẩy đến.
hay nguy cấp xẩy đến.
Lò phản ứng
Lò phản ứng
nhanh làm mát
nhanh làm mát
bằng khí (gas-
bằng khí (gas-
cooled fast reactor
cooled fast reactor
- GFR)
- GFR)
►
Lò phản ứng
Lò phản ứng
nhanh làm mát
nhanh làm mát

bằng chì (lead-
bằng chì (lead-
cooled fast
cooled fast
reactor - LFR)
reactor - LFR)
►
Lò phản ứng
Lò phản ứng
muối nóng
muối nóng
chảy (molten
chảy (molten
salt reactor -
salt reactor -
MSR)
MSR)
►
Lò phản ứng
Lò phản ứng
nhanh làm mát
nhanh làm mát
bằng natri
bằng natri
(sodium-cooled
(sodium-cooled
fast reactor – SFR)
fast reactor – SFR)
►
Lò phản ứng làm

Lò phản ứng làm
mát bằng nước
mát bằng nước
siêu tới hạn
siêu tới hạn
(supercritical
(supercritical
water-cooled
water-cooled
reactor - SCWR)
reactor - SCWR)
►
Lò phản ứng
Lò phản ứng
nhiệt độ rất
nhiệt độ rất
cao (very
cao (very
high
high
temperature
temperature
reactor -
reactor -
VHTR)/Nhà
VHTR)/Nhà
máy hạt
máy hạt
nhân thế hệ
nhân thế hệ

tiếp theo
tiếp theo
(next -
(next -
generation
generation
nuclear plant
nuclear plant
- NGNP)
- NGNP)