Lò phản ứng hạt nhân (tiếp theo) pot

1
NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ:
Chương 3 - Lò phản ứng hạt nhân
(tiếp theo)
TS. Huỳnh Châu Duy
Bộ môn Hệ Thống Điện
Trường ĐH Bách Khoa TP. HCM
01/2011
1. Cấutrúclòphản ứng hạtnhân
Lò phản ứng hạt nhân là thiếtbị có thểđiều
khiểnvàkiểm soát phản ứng phân hạch để thu
đượcnăng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch
tạo ra.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
2
Các yếutố cấu thành lò phản ứng bao gồm:
1) Nhiên liệu
hạt nhân tạorasự phân hạch.
2) Chất làm chậm
vớichứcnăng làm giảmtốc
độ củacácnơtron sinh ra từ phản ứng phân
hạch để dễ dàng tạorasự phân hạch tiếp theo.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
3) Chấttải nhiệt vớichứcnăng thu nhiệtsinhra
do phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để
chuyểnrabộ phận bên ngoài.
4) Các thanh điềukhiển
để điềuchỉnh quá
trình phân hạch của nhiên liệuhạt nhân.

Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
3
2. Lò phản ứng hạt nhân sử
dụng nhiên liệugì?
Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử
dụng các chấtcókhả năng phân hạch
như
Uranium hoặc Plutonium.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7% U-235 phân
hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản
ứng hấpthunơtron và sử dụng chúng mộtcách
hiệuquả như lò nướcnặng.
Hoặclòphản ứng làm nguộibằng khí và dùng
chấtlàmchậm là than chì.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
4
-Nướcnhẹ có thể dễđiềuchế và rẻ tiềnnhưng khả
năng hấpthunơtron không hiệuquả nên không thể
sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản
ứng nướcnhẹ.
-Lòphản ứng nướcnhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium
được làm giàu trên dưới4% ở dạng ôxit Uranium.
-Còn Plutonium thì thích hợp làm nhiên liệucholò
phản ứng tái sinh nhanh.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2

3. Chất làm chậmcủa
lò phản ứng là gì ?
Để dễ dàng tạoraphản ứng phân hạch hạt
nhân dây chuyền, cầnphải hãm bớttốc độ của
nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt.
Æ vậtliệulàmchậmnơtron đượcgọilàchất
làm chậm.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
5
Tính chấtcủachất làm chậmnhư sau:
1) Hấpthunơtron hiệuquả.
2) Giảmtốc độ củanơtron vớihiệusuấtcao
Æ Vậtliệuthíchhợpchochấtlàmchậmthường
là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
Các loạichất làm chậm thông thường:
1. Nướcnhẹ (nước thông thường) có hiệusuất
làm chậmrấttốt, giá thành rẻ.
Nhưng có nhược điểmlàhấpthunơtron một
cách lãng phí.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
6
2. Nướcnặng cũng có hiệusuấtlàmchậmtốt
do không hấpthunơtron một cách lãng phí nên
có thể nói đây là chấtgiảmtốclýtưởng.
Nhưng giá thành rất cao và khó điềuchế.
3. Than chì (Graphite) tuy hiệusuấtlàmchậm

thấpnhưng lạiíthấpthunơtron và giá tương đối
rẻ.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
4. Chấttảinhiệtcủa
lò phản ứng là gì ?
Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và
chuyển ra bên ngoài đượcgọilàchấttải nhiệt.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
7
-Lòphản ứng nướcnhẹ sử dụng chấttảinhiệt
là nướcnhẹ.
-Lònướcnặng sử dụng chấttải nhiệtlànước
nặng.
-Lòkhísử dụng chấttảinhiệt là khí CO2 hoặc
Heli.
- Lò tái sinh nhanh sử dụng chấttải nhiệtlà
Natri.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
5. Chất điềukhiểncủa
lò phản ứng là gì ?
Chất điềukhiểncótácdụng điềuchỉnh công
suấtcủalòphản ứng (tốc độ phản ứng phân
hạch) và có khả năng hấpthunơtron.
Chất điềukhiển đượcsử dụng phổ biếnlà
Boron
hoặc Cadmium.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy

Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
8
6. Nguyên tắchoạt động
củalòphản ứng
-Khihạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron
nhanh bắn ra.
Nếudùngchấtlàmchậmnơtron để năng lượng
nơtron giảm đếnmứctrở thành nơtron nhiệt
(0,1-0,01eV)
Thì có thể dùng uranium thiên nhiên làm giàu U-
235 để thựchiệnphản ứng dây chuyền.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
Tính chất trên được dùng trong lò phản ứng hạt
nhân chạybằng nhiên liệu phân hạch vớinơtron
chậm (U-235, P-239 và U-233).
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
9
- Trong mộtlòphản ứng hạt nhân, các thanh
uranium thiên nhiên hay plutonium rấtmỏng
đượcxếpxenkẽ các lớp khá dày củachấtlàm
chậmtạo thành vùng hoạt động mà trong đóxảy
ra phản ứng dây chuyền.
Như vậy, nơtron nhanh sinh ra do phản ứng
phân hạch, sẽ bị giảmtốc đếnvậntốc nhiệt
trong chấtlàmchậm.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
-Muốn điềuchỉnh hoạt động củalòmạnh lên

hay yếu đi thì dùng các thanh cadimi có đặc
tính hấpthụ mạnh nơtron nhiệt:
* Muốnlòchạyyếu đithìchodồnnhững thanh
cadimi vào lò.
* Muốnlòchạymạnh lên thì rút dầnra, để bảo
đảmhệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơnvị
(k = 1).
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
10
•Một dòng nướcthường sẽ nhận nhiệt nóng
trong buồng trao đổi nhiệtvàbiến thành hơi.
Hơinướcsẽ kéo tuabin của máy phát điệnrồi
về buồnngưng hơivàtrở về buồng trao đổi
nhiệt.
•Chấttải nhiệtchạy theo chu trình từ lò đến
buồng trao đổinhiệtvề lò nhờ vào hệ thống
bơm đặcbiệt.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
-Lòphản ứng có hệ thống điềukhiểnvàbảovệ:
*Hệđiềukhiển
: dùng để khởi động, làm
dừng hoặc thay đổi công suấtlòphản ứng.
*Hệ bảovệ
: bảo đảmsự an toàn phóng xạ.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
11
Nguyên lý lò phản ứng hạtnhân

Thanh điềukhiển
Thành bảovệ
phóng xạ
Đường ống làm
thí nghiệm
Vỏ kim loại
Thanh Uranium
Chấtphảnxạ bằng
Graphite
Chấtlàmchậm
Ống làm lạnh
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
7. Phân loạilòphản ứng
1. Phân loại theo mục đích sử dụng với nhiên liệu,
chấttải nhiệt
, chất làm chậm khác nhau.
* Nghiên cứu khoa học
* Cung cấpnăng lượng nguyên tử
* Sảnxuất nhiên liệuhạt nhân
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
12
2. Phân loại theo năng lượng nơtron gây ra
phản ứng phân hạch:
* Lò phản ứng nơtron nhiệt
: nơtron nhiệt
có năng lượng ở lân cận 0,025eV.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2

* Lò phản ứng nơtron trung gian: nơtron
trung gian có năng lượng trong khoảng 1keV-
100keV
* Lò phản ứng nơtron nhanh
: nơtron nhanh
có năng lượng lớnhơn 100keV.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
13
• Nhiên liệu urani giàu U
235
, Pu
239
, U
233
đượcsử
dụng cho các lò nơtron chậm
.
•U
233
, Th
232
đượcsử dụng cho các lò nơtron
nhanh.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
• Chất làm chậm thường dùng là: graphit, nước
nặng.
• Chấttải nhiệt
có thể là: nướcnặng, kim loại

lỏng natri, kali, bismut, chì, thủy ngân, …
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
14
8. Nguyên lý điềukhiển
lò phản ứng hạtnhân
• Các hiệu ứng làm cho lò ra khỏitrạng thái tới
hạn được chia thành 2 loại, tùy theo mức độ
kéo dài về thờigiantácđộng của các hiệu
ứng này.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
• Để đặctrưng cho mức độ lò ra khỏitrạng thái tới
hạn Æ độ phản ứng củalò:
k
k 1−
=
ρ
Trong đó: k là mộthệ số nhân
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
15
Hệ số nhân (độ phản ứng) k có thể thay đổi do một
trong hai lý do sau đây:
1. Sự thay đổitrungbìnhcủacácnơ trôn nhiệt và do
đó ảnh hưởng đếntiếtdiệnhiệudụng tán xạ và hấp
thụ.
2. Sự thay đổimật độ các vậtliệukếtcấu trong lò,
nghĩalàsự thay đổi độ dài khuyếch tán, kích thước
lò, . . .

Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
•k = 1 Æ
ρ
= 0: lò ở trạng thái tớihạn
•k > 1 Æ
ρ
> 0: lò ở trạng thái trên tớihạn
•k < 1 Æ
ρ
< 0: lò ở trạng thái dướitớihạn
Các thay đổichậm độ phản ứng có liên quan
đếnsự cháy của nhiên liệuhạt nhân và tích lũy
các sảnphẩm phân hạch mới.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
16
• Các hiệu ứng nhiệt độ của độ phản ứng
• Các thay đổingẫu nhiên vì lý do này hay lý do
khác
•Cáctácđộng cố ý tới độ phản ứng nhằm nâng
cao hoặchạ thấp công suất
Æ Mang tính chấtngắnhạn Æ đượcgọi chung là
động lựclò.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
• Ngoài ra, nếu xét chung cả lò vớitấtcả các
phầnhệ còn lại đòi hỏiphảichúý đến:
-Các tính chất nhiệt động củacácchấtlỏng
hay chấtkhíđược dùng để làm chất trao đổi

nhiệt.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
17
-Việclấynăng lượng ra khỏilòở các nhà
máy điện nguyên tử.
-Tính chấtdiễnbiếncủacácbộ phận
khác nhau còn lạicủahệ lò.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
• Công suấtcủalòphản ứng hạt nhân được
quyết định bởitốc độ diễn ra quá trình phân
hạch.
Trong mộtlòcụ thể nào đó, tốc độ này tỉ lệ với
lượng chất phân hạch và mật độ nơtron trung
bình.
Æ Thay đổimật độ nơtron trung bình Æ thay đổi
mức công suấtcủalò.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
18
• Nghiên cứudiễnbiếncủalò, sử dụng:
Æ khái niệmmật độ nơtron trong lò
Æ khái niệm công suấtcủalòở mộtthời điểm
nào đó.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
•Việc điềukhiểnlòđượcthựchiệnbằng
cách thay đổigiátrị của thông lượng
nơtron trong lò.

Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
19
•Cóthể thay đổi thông lượng nơtron trong lò bằng
2 cách:
– Đưa vào hoặc rút bớtrakhỏi vùng hoạt động
củalòcácchấthấpthụ mạnh nơtron, chẳng
hạnnhư chấtBo.
– Đưalạigần vùng hoạt hay đưaraxavùnghoạt
mộtchấtphảnxạ nơtron nào đó.
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2
HẾT
PHẦN 2 - CHƯƠNG 3
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 3 – Lò phản ứng hạt nhân – phần2