Bài nhóm tìm hiểu về nhà máy điện hạt nhân

Lời mở đầu
Ngày nay, khi đất nước ngày càng phát triển, nhu cầu song của con người ngay cang cao thì vấn
đề về nương lượng được đặt lên hàng đầu
Khi đát nước đi vào con đường hiện đại hóa, vấn đè về điên năng va truyen tải điện năng là vấn
đề được đặt lên hàng đầu nâng cao kinh tế và nền sản xuất
Sử dụng các dạng năng lượng tự nhiên (nước,gió, mặt trời, than đá, ) không đủ đáp ứng thì khi
đó điện nguyên tử là giải pháp được đặt lên hàng đầu
Được sự hướng dẫn của thầy và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, nhóm chúng em đã mạnh dạng
tìm hiểu về đề tài “ nhà máy điện hạt nhân “
Do kiến thức của chúng em có hạn, trong qua trình làm nhóm chúng em không thể tránh được sai
sót, mong thầy và các bạn cùng góp y
Xin cám ơn !
NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
I).GIỚI THIỆU CHUNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN:
Nhà máy điện nguyên tử (hay ngày nay còn hay gọi là nhà máy điện hạt
nhân) là một phát minh vĩ đại của loài ngời. Nó đã giúp cho con ngời giải quyết
được một loạt những vấn đề có tính chất thời đại, đó là vấn đề mâu thuẫn giữa nhu
cầu sử dụng năng lợng ngày càng tăng và sự hạn chế của các nguồn năng lợng sơ
cấp, đó là vấn đề ô nhiễm môi trờng do tác động của việc đốt nhiên liệu khoáng
gây ra. Đó là vấn đề thiếu các nguồn nguyên liệu cho công nghiệp do việc dùng
chúng làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện.v.v
Hiện nay, trên thế giới đang có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động,
cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới. Có 31 lò phản ứng đang được
xây dựng. Con số này ngày càng tăng khi các dạng năng lợng truyền thống (thuỷ
năng, than, dầu, khí) ngày một cạn kiệt, trong khi đó các yêu cầu về an ninh năng l-
ợng và bảo vệ môi trờng ngày càng cao, trình độ công nghệ của điện nguyên tử
cũng ngày càng đợc nâng cao, an toàn hơn, tin cậy hơn
ở Nuớc ta, do tiềm năng năng lượng tuy đa dạng nhưng không dồi dào lắm
trong khi đó để đáp ứng được nhịp độ phát triển kinh tế ở mức tương đối cao nhằm
đưa nước ta trở thành nớc công nghiệp hoá, hiện đại hoá, các yêu cầu về phát triển
và đa dạng hoá nguồn năng lợng nhằm đảm bảo cung cấp năng lượng an toàn và

bền vững có tính đến việc bảo tồn phát triển tài nguyên và bảo vệ môi trờng là cực
kỳ quan trọng. Chỉ có phát triển năng lượng nguyên tử với trình độ ngày càng hoàn
thiện mới đảm bảo được các yêu cầu đó.
1).KHÁI NIỆM:
Nhà máy điện nguyên tử là nhà máy nhiệt điện ,trong đó lò đốt than được
thay bằng lò phản ứng nguyên tử
Nhà máy điện nguyên tử tiêu thụ nhiên liệu uranium rất ít ,vì năng lượng của
1kg uranium tương đương bằng năng lượng 2700 tấn than đá tiêu chuẩn.vì vậy
những vùng núi không tiện cho việc vận chuyển than thì việc xây dựng nhà máy
điện nguyên tử có ý nghĩa rất quan trọng.
2).CẤU TẠO:
Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :
- Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.
- Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được
dùng để tạo hơi.
- Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.
- Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha
lỏng.
3).NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
Sau vùng hoạt là nơi diễn ra các phản ứng hạt nhân và sản ra nhiệt năng, là
thiết bị trao đổi nhiệt để sinh hơi đa vào tua bin để sản ra điện năng. Qua thiết bị
trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt từ tõm lũ phản ứng và hệ thống nước tuần hoàn ở
vũng 2, nước ở đây nhận được nhiệt độ do nước (hay chất làm chậm) ở vũng 1
truyền cho biến thành hơi nước có áp lực cao được đưa vào tua bin làm quay tua
bin của mỏy phát điện. Sau khi qua tua bin hơi nước được đa qua bình ngưng để
trở thành nớc và lại được đa trở lại bình trao đổi nhiệt để duy trì quá trình trao đổi
nhiệt cho liên tục.
Để phục vụ cho sự tuần hoàn nước, người ta phải dựng một hệ thống bơm
cưỡng bức. Ngoài ra cũn phải có một hệ thống điện tự dùng cho nhà máy điện hạt
nhân. Mọi thông số vật lý và kỹ thuật trong hoạt động của lò đều được thụông báo

và hiện số lên các đồng hồ đo. Nhà máy điện hạt nhân cũng phải có các hệ thống
thiết bị an toàn mới đảm bảo cho nhà mỏy hoạt động an toàn và co hiệu quả. Ngoài
ra cũng phải có cac thiết bị kiểm soát độ nhiễm xạ thoát ra môi trường ngoài để có
biện phap xử lý và ngăn chặn. Sau một thời gian hoạt động, nhiền liệu bị chảy dần
nêm cũng phải nghiên cứu việc thay thanh nhiên liệu sao cho tối u.
Nhà máy hoạt động theo hai đường vòng:
Thông thường để đảm bảo an toàn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3
vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lò phản ứng đến bộ phận tạo hơi .
Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận năng
lượng sinh ra từ phản ứng dây truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt
năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai.
Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với
vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng đem đến bộ phận tạo hơi nước làm
quay turbin. Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn có thể có hai
vòng thứ cấp.
Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas… kim loại lỏng, tùy
thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là
nước.
II) LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN:
1).LỊCH SỬ LÒ HẠT NHÂN:
a).Lò phản ứng thế hệ I:
Lò PƯ có tên Magnox do 3 nhà vật lý ngời Anh sáng chế là Ts. Ion, Ts. Khalit,
và Ts. Magwood. Lò Magnox sử dụng nguyên liệu urani trong thiên nhiên trong
đó chỉ có 0,7% chất đồng vị U
-235
và 99,2% U
-238
.
Nguyên tắc vận hành có thể đợc tóm tắt nh sau: Các ống kim loại urani
đợc bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm nhôm và magiê. Một lớp than graphit đặt

nằm giữa ống urani và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng
thích nơtron do sự phân hạch U
-235
. Từ đó các nơtron trên sẽ va chạm mạnh với
hạt nhân của U
-235
để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra. Để điều khiển vận
tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụng một loại
thép đặc biệt. Nó có tính chất hấp thụ các nơtron, do đó có thể điều khiển phản
ứng theo ý muốn. Có 26 lò Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện chỉ còn 8 lò
đang hoạt động.
b). Lò phản ứng thế hệ II:
Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đa số các lò đang hoạt động
trên thế giới. Từ ban đầu, 60% loại lò này áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, .
Nhng đã dần dần đợc thay thế bằng lò nớc sôi BWR. Nhiên liệu sử dụng cho lò
này là hợp chất urani đioxit và hợp kim này đợc bọc trong các ống cấu tạo bằng
kim loại zirconi. Urani 235 sẽ đợc làm giàu từ 0,7% đến 3,5%. Một khác biệt cơ
bản là nớc đợc đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Nh vậy,
phơng pháp này sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nớc khi truyền nhiệt qua
tuabin để biến thành điện năng.
c). Lò phản ứng thế hệ III:
Các lò thế hệ thứ III là các thiết kế cải tiến (advanced-design), bao gồm:
-Các lò nước sôi cải tiến (ABWR) do GE thiết kế và được xây dựng tại Nhật Bản
- Các lò cải tiến hệ System 80+ do CE (Combustion Engineering) nay
thuộc Westinghouse thiết kế;
- Các lò PWR cải tiến (APWR), do Westinghouse, MHI thiết kế;
- Các lò WWER-1000: AES-91, AES-92 của Nga thiết kế;
- Các lò có thiết kế thụ động như AP600 của Westinghouse.
- Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor)
– là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận

hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức.
Một số thiết kế đã được phát triển ở Mỹ và được Cơ quan pháp quy Hoa
Kỳ (US-NRC) cấp phép vào những năm 1990. Các lò ABWR và APWR đã/đang
được xây dựng và vận hành ở nhiều nước khác nhau. Một số thiết kế khác cũng
đang trong giai đoạn xin cấp chứng nhận thiết kế của NRC như US EPR.
Các cải tiến quan trọng so với thế hệ II bao gồm:
- Hoàn thiện công nghệ về nhiên liệu;
- Đưa vào các hệ thống an toàn thụ động;
- Các thiết kế được tiêu chuẩn hóa
d). Lò phản ứng thế hệ III +:
Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ
III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive
safety). Các thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụng
các thành phần điều khiển chủ động nào. Chúng có thể đã được phát triển ở
những giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấp
phép xây dựng. Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010. Các
thiết kế thế hệ III+ bao gồm:
- Các lò Advanced CANDU Reactor (ACR);
- Lò AP1000 – dựa trên thiết kế AP600 của Westinghouse;
- Lò Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) – dựa
trên thiết kế ABWR;
- Lò APR-1400 – Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR
(Korean Next Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ
System 80+ của Mỹ.
- Lò WWER-1200: AES-2006 của Nga thiết kế.
e)Lò phản ứng thế hệ IV:
Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation IV
International Forum), theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên khác.
Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở giai đoạn thiết kế khái niệm
hoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030.

Năm 2002, GIF đã đưa ra lịch trình (Roadmap) cho 6 thiết kế thế hệ IV gồm 3
loại lò nơtrôn nhiệt và 3 loại lò nơtrôn nhanh.
2).ĐIỀU KHIỂN ( ĐK ) DUY TRÌ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN:
a. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền:
Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ
thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nửa. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để là m
hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt
được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho cỏc nuclon riờng biệt bờn
trong hạt nhõn tạo ra cỏc dạng chuyển động nội tại, một phần dựng để kớch
thớch chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhõn, do đó gãy ra biến dạng và làm
hạt nhân vỡ ra.
Hai phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm và
U
235
là:

0
n
1
+
92
U
235
→ A + B + νn'
và:
0
n
1
+
92

U
235
→
92
U
236
+ γ
trong đó A và B là hai hạt nhân nhẹ hơn U
235
gọi là các mảnh phân hạch Để lò đạt
đợc trạng thái tới hạn tức là trạng thái mà ở đó phản ứng dây chuyền tự duy trì
phải có một sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện
trong phân hạch. Urani thiên nhiên có chứa 99,6% đồng vị U
238
và 0,7% đồng vị
U
235
. Hạt nhân của đồng vị U
238
chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng lợng
lớn hơn 1 MeV).
Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U
235
, Pu
239
và U
233
sẽ
bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (có năng lợng nhỏ từ 0,1→0,001 eV), còn U
238

và
Th
232
sẽ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV).
Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân
Z
X
A
biến thành hạt nhân
Z
X
A+1
ở trạng thái
kích thích có mức năng lợng cao hơn mức cơ bản. Năng lợng kích thích bằng tổng
động năng và năng lợng liên kết của nơtron trong hạt nhân mới. Nếu năng lợng
kích thích lớn hơn năng lợng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra. Nếu ngợc
lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ γ.
Các phản ứng phân hạch của hạt nhân U
235
bằng nơtron nhiệt có thể viết nh sau:
0
n
1
+
92
U
235
→ 2 mảnh phân hạch + νn'
0
n

1
+
92
U
235
→ 2 mảnh phân hạch + các hạt β
-
0
n
1
+
92
U
235
→ 2 mảnh phân hạch + Các lợng tử γ
Xác suất phân hạch là tỉ số 1/(1+α) trong đó α là tỉ số giữa số phản ứng bắt
và số phản ứng phân hạch. Nh vậy xác suất bắt sẽ là α/(1+α).
Cho nên đứng về mặt xác suất ta có thể viết lại phản ứng phân hạch của U
235

do nơtron nh sau:
0
n
1
+
92
U
235
→ 2/(1+ α) mảnh + (α /(1+ α))U
236

+

+(1/(1+ α))ν nơtron+ các
hạt β + các hạt γ + NL toả ra
Khi hạt nhân U
235
phản ứng với một nơtron thì xác suất xảy ra phân hạch là
1/(1+α), mà mỗi lần phân hạch có ν nơtron đợc tạo thành, cho nên η = ν(1/(1+α))
là số nơtron trung bình đợc tạo ra khi hạt nhân U
235
hấp thụ một nơtron.
Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có 1 nơtron bị hấp
thụ và do đó η nơtron mới đợc tạo thành. Để đơn giản ta giả định là tất cả các
nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U
235
đều có năng lợng nh nhau. Trong số η
nơtron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu (trong đó ∑
f
a
là tiết diện hấp
thụ vĩ mô để phân hạch của nhiên liệu, ∑
a
là tiết diện hấp thụ toàn phần của tất cả
các vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu).
Vì thế cho nên đối với lò có kích thớc lớn đến mức không có một nơtron nào
có thể rò ra khỏi lò ta nói đó là một lò vô hạn. Khi đó hệ số nhân sẽ có dạng:
fk
a
f
a

η=
η
=
∑
∑
∞
trong đó f =
∑
∑
a
f
a
là hệ số sử dụng nơtron nhiệt. Nếu lò có
kích thước hữu hạn thì:
k = η.f.P
t
(đối với trờng hợp 1 nhóm).
trong đó P
t
là xác suất để nơtron nhiệt không thoát ra khỏi lò.
Tỷ số giữa số nơtron đợc làm chậm xuống dới ngỡng phân hạch của U
238

chia cho số nơtron xuất hiện ban đầu trong hệ đợc ký hiệu là ε và đợc gọi là hệ số
nhân bằng các nơtron nhanh. Giả sử có m nơtron bị làm chậm qua vùng cộng hởng
thì trong đó chỉ có n nơtron tránh đợc sự hấp thụ cộng hởng để xuống đợc vùng
nhiệt. Nh vậy p=m/n gọi là xác suất tránh hấp thụ cộng hởng. Từ đó ta có công
thức bốn thừa số nh sau:
k
∞

= η.ε.p.f (đối với lò chạy bằng nơtron nhiệt)
Trong đó:η là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân U235 hấp thụ 1 nơtron
ε là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh
p là xác suất tránh hấp thụ cộng hởng
f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt
k
∞
= 1 là điều kiện tới hạn của lò.
Nếu lò là hữu hạn hoặc có kể đến hiện tợng rò của các nơtron ra khỏi lò thì
công thức bốn thừa số biến thành:
k = η.ε.p.f.P
t
.P
f
b).Phân bố nơtron trong lò:
Ngời ta hay dùng một phơng trình gần đúng gọi là phơng trình khuếch tán xem
các nơtron nh là khuếch tán trong môi trờng các hạt nhân nhiên liệu.
Ví dụ đối với lò hình cầu ta có:
∑
φ−








∂
φ∂

+
∂
φ∂
+=
∂
φ∂
a
yr
2
r
DS
tv
1
2
2
trong đó D là hệ số khuếch tán, φ là thông lợng nơtron trong lò, S là tốc độ tạo ra nơtron
trong 1cm
3
sau 1 giây.
Giải phơng trình khuếch tán ta sẽ biết được phân bố thông lượng nơtron φ trong lò.
c).Thời gian tồn tại của nơtron trong lò:
Để đơn giản, ta giả thiết rằng lò là đồng nhất, không có chất phản xạ nơtron,
chưa kể đến các hiệu ứng nhiệt độ của môi trờng v.v
Nếu gọi τ là thời gian sống trung bình của nơtron trong lò, nghĩa là khoảng
thời gian từ lúc nơtron đợc sinh ra do phân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp
thụ hoặc bị rò ra ngoài lò. Có thể hiểu τ bao hàm cả thời gian sinh, thời gian làm
chậm và thời gian khuếch tán của các nơtron nhiệt. Tuy nhiên có thể coi τ của một
thế hệ nơtron gần đúng bằng thời gian khuếch tán của nơtron nhiệt.
Các lò có chất làm chậm là graphít hay nớc nặng thì τ ≈10
-3

giây, đối với lò
chạy bằng nớc thờng τ ≈10
- 4
giây. Các lò chạy bằng nơtron nhanh thời gian sống
trung bình của nơtron đạt tới 10
-7
- 10
-8
giây.
Mật độ nơtron trong lò ở thời điểm t có thể tính đợc theo công thức:
L
t.k
0
en)t(n
δ
=
[1/cm3]
Trong đó n
0
là mật độ nơtron ở thời điểm đầu. Do đó nếu hệ số nhân hiệu
dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm
3
sẽ tăng theo hàm mũ.
Nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm
3
sẽ tăng theo hàm
mũ. Bây giờ giả định rằng ở trạng thái hiện tại của lò k = 1,001 đó là một trạng thái
không khác lắm với trạng thái tới hạn, do đó δk = k - 1 = 1,001 - 1 = 0,001. Đối
với các lò chạy bằng nơtron nhiệt τ = 10
-3

giây = 0,001 giây.
t
0
001,0
t.001,0
0
enen)t(n
==
nghĩa là thông lượng nơtron và do đó công suất của lò tăng e lần sau mỗi giây.
Nếu lò chạy bằng urani có hàm lợng cao(τ ~ 10
-5
giây), hoặc đối với lò chạy bằng
nơtron nhanh(τ ~ 10
-7
- 10
-8
giây) thì tốc độ tăng công suất còn cao hơn nữa.
d).Các nơtron trễ:
Thực tế là trong tổng số các nơtron đợc tạo thành do phân hạch, có một phần nhỏ
(cỡ 0,75 %) xuất hiện dới dạng nơtron "trễ" nghĩa là xuất hiện sau từ một phần
giây đến vài giây. Chính sự có mặt của các nơtron này đã làm cho mật độ nơtron
thay đổi chậm hơn nhiều so với tốc độ đã tính đợc trên đây. Do đó mà vấn đề điều
khiển lò trở nên đơn giản hơn. Do chúng làm cho thời gian sống trung bình của
nơtron kéo dài ra, trở nên lớn hơn nhiều so với thời gian khuếch tán của các nơtron
nhiệt (~10
-3
giây). Điều đó làm cho thời gian để công suất lò tăng lên e lần tăng lên
nhiều.
Các nơtron trễ có hai loại: một loại do các sản phẩm phân hạch sinh ra, loại
thứ hai là kết quả của phản ứng. Một số sản phẩm phân hạch chứa số nơtron nhiều

hơn số cần thiết cho hạt nhân ở trạng thái bền vững, do đó nó tự phân rã. Hạt nhân
của các sản phẩm phân hạch có thể ở trạng thái kích thích mạnh, có một dự trữ
năng lợng lớn để trong những điều kiện nhất định phát ra các nơtron.
Thí dụ, một trong những sản phẩm phân hạch của U
235
là Br
87
, chu kì bán rã của
nó là 55,6 giây, phân rã nh sau:
Br
87
→ Kr
87
+ β
-
→ Kr
86
+ n
Cho nên lúc đó sự thay đổi của thông lợng nơtron khi có kể đến ảnh hởng
của các nơtron trễ (ví dụ khi k = 1,001 chẳng hạn) là:
100
0
1,0
001,0
0
.
0
.
0
)(

t
t
L
tk
L
tk
enenenentn
≈=→=
δδ
nghĩa là sau 100 giây thông lợng nơtron (hay công suất lò) sẽ tăng lên e lần. Với
tốc độ tăng nh vậy con ngời hoàn toàn có khả năng điều khiển đợc các quá trình
xảy ra trong lò.
e).Các hiệu ứng nhiệt độ:
Phản ứng của lò có thể thay đổi phụ thuộc vào những dao động về nhiệt của
môi trờng lò. Tốc độ tơng đối giữa hạt nhân và các nơtron thay đổi theo t
0
do hai
nguyên nhân:
* Làm thay đổi tốc độ tuyệt đối của các hạt nhân: Sự thay đổi nhiệt độ
làm xuất hiện hiệu ứng Dopple làm thay đổi bề rộng của mức cộng hởng do đó làm
thay đổi hệ số p trong công thức 4 thừa số. Khi đốt nóng các chất trong lò, xác suất
tránh hấp thụ cộng hởng giảm xuống, do đó độ phản ứng giảm xuống.
* Làm thay đổi sự phân bố tốc độ của các nơtron nhiệt.
f)Sự nhiễm độc lò bằng các sản phẩm phân hạch:
Sau mỗi hiện tợng phân hạch, trong môi trờng của lò xuất hiện hai mảnh
phân hạch với số khối lợng thờng nằm giữa 95 và 140. Các mảnh này đến lợt mình
lại phân rã để tạo thành một số lớn hạt nhân - gọi chung là các sản phẩm phân
hạch. Tất cả các hạt nhân - sản phẩm phân hạch này có các tiết diện hấp thụ
nơtron, song tiết diện phân hạch của các hạt nhân này đối với các hạt nơtron có
năng lợng thấp hơn 10MeV bằng không. Do đó, do phân hạch, chẳng những đã mất

bớt các hạt nhân nhiên liệu (U
235
) mà còn làm xuất hiện các hạt nhân mới chỉ có
khả năng hấp thụ mất nơtron mà không có khả năng phân hạch.
g)Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng:
Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron nhanh bắn ra. Nếu dùng chất
làm chậm nơtron để năng lợng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1 -
0,01eV) thì có thể dùng urani thiên nhiên làm giàu U
235
để thực hiện phản ứng dây
chuyền. Tính chất này đợc dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu
phân hạch với nơtron chậm (U
235
, Pu
239
, U
233
). Trong lò phản ứng hạt nhân, các
thanh urani thiên nhiên hay plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất
làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.
Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân
Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh cadimi
có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những
thanh cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân
nơtron luôn luôn bằng đơn vị (k = 1).
Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đờng ống vào trong lò để bảo
đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng
lợng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtron.
h)Nguyên lý điều khiển lò phản ứng hạt nhân:
Chúng ta mới chỉ nghiên cứu lò ở trạng thái tới hạn tức là trạng thái ở đó thông l-

ợng nơtron trong lò không đổi theo thời gian. Để sử dụng một cách bình thờng lò
phản ứng ta phải biết cách điều khiển nó theo ý muốn.Để đặc trng cho mức độ lò ra
khỏi trạng thái tới hạn ngời ta đa vào một đại lợng đợc gọi là độ phản ứng của lò:
k
sk
k
1k
=
−
=ρ
Khi lò ở trạng thái tới hạn k = 1 do đó ρ = 0, khi k > 1, ρ > 0 lò ở trạng thái trên tới
hạn, còn khi k < 1, ρ < 0 lò ở trạng thái dới tới hạn.
Việc điều khiển lò đợc thực hiện bằng cách thay đổi giá trị của thông lợng nơtron
trong lò. Nếu thông lợng nơtron trong lò không thay đổi, lò phản ứng ở trạng thái
tới hạn, hệ số nhân nơtron k trong lò bằng 1.
Có thể thay đổi thông lợng nơtron trong lò bằng hai cách:
* Đưa vào hoặc rút bớt ra khỏi vùng hoạt động của lò các chất hấp thụ mạnh
nơtron, nh chất bo chẳng hạn.
* Đưa lại gần vùng hoạt hay đa ra xa vùng hoạt một chất phản xạ nơtron nào
đó.
3).CẤU TRÚC LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN:
Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) bao gồm: nhiên liệu
hạt nhân, chất làm chậm, chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò,
tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN nêu
trong hình 2.
a).Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân
Nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu phí các nơtron không
phân hạch sao cho điều kiện nêu trên đây có thể đợc thoả mãn. Các quá trình bắt
nơtron một cách vô ích có ba loại nh sau:
 Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch (nh n, γ)

 Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron
 Các nơtron rò ra khỏi hệ lò, không gây đợc một hiệu ứng nào cả.
ảnh hưởng của ba quá trình này tới sự hoạt động của lò có thể thay đổi đáng kể
do thiết kế.
Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng có thể là urani thiên nhiên trong đó có
chứa 0,73% U
235
, urani đã đợc làm giàu, plutoni Pu
239
, thori Th
233
. Chất làm chậm
(trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron đã đợc
làm chậm một phần trớc khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp), có thể là graphit, nớc
nặng D
2
O, nớc thờng H
2
O, berili và berili oxit BeO, các chất hữu cơ. Chất tải nhiệt
có thể là chất khí, nớc thờng, nớc nặng D
2
O, chất lỏng hữu cơ, kim loại lỏng v.v
Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào nh graphit, berili v.v
Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở những mức công suất cao,
ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản ra một số lớn nơtron, các tia γ các tia β. Ngay cả
khi lò đã bị dập, cờng độ phóng xạ của các tia γ và β vẫn còn lớn do có một lợng
lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra. Chẳng hạn một lò có
công suất 10 MW có thể sản ra 10
9
curi các sản phẩm phân hạch, đây là một cờng

độ phóng xạ gần đúng tơng đơng với cờng độ phóng xạ của khối 1000 tấn radi.
Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một "vỏ" vật liệu.
Để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U
235
bắt, ta phải dùng
loại vật liệu có nguyên tử nhỏ, trong khi đó để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia
γ lại phải có vật liệu với Z lớn. Do đó ngời ta thờng dùng một hỗn hợp chất có Z
nhỏ và chất có Z lớn làm vật chắn. Trong một số trờng hợp ngời ta dùng nhiều lớp
chì (Pb) và polyetilen để làm vật chắn, còn trong đa số trờng hợp ngời ta dùng
bêtông cho tiết kiệm. Ngời ta còn dùng loại bê tông đặc biệt là bêtông thông thờng
có thêm cốt sắt hoặc pha quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn các
tia γ (với bề dày trên dới 1m).
b).Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân
Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng
phân hạch như: urani hoặc plutoni
Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U
235
phân hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu
cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả nh lò nớc
nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì.
Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhng khả năng hấp thụ nơtron lớn
nên không thể sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nớc nhẹ. ở đó
ngời ta sử dụng nhiên liêu urani đợc làm giàu trên dới 4% ở dạng ôxit urani
c).Chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân
Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm
bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt. Nh vậy, vật liêụ làm chậm nơtron đợc gọi
là chất làm chậm.
Chất làm chậm có hai tính chất sau:
 Hấp thụ nơtron hiệu quả
 Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao

Vì vậy vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thờng là những nguyên tố có số
nguyên tử nhỏ.
Các loại chất làm chậm thông thường:
 Nớc nhẹ (nớc thông thờng) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhng
có nhợc điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí.
 Nớc nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt do không hấp thụ nơtron một cách
lãng phí nên có thể nói đây là chất giảm tốc lý tởng nhng giá thành rất cao và
khó điều chế.
 Than chì tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhng lại hấp thụ ít nơtron và giá tơng
đối rẻ.
d).Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân
Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài gọi là chất
tải nhiệt.
Lò phản ứng nớc nhẹ dùng chất tải nhiệt là nớc nhẹ; Lò phản ứng nước nặng
dùng chất tải nhiệt là nớc nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO
2

hoặc heli và lò tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là natri.
e).Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân
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 thụ nơtron.
Muốn giảm tốc độ phản ứng thì đa sâu chất điều khiển vào trong tâm lò và
ngợc lại muốn tăng tốc độ phản ứng thì đa chất điều khiển ra xa.
Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi.
f).tóm tắt:
4).PHÂN LOẠI CÁC LOẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN:
Tuỳ thuộc vào việc sử dụng các chất tải nhiệt, chất làm chậm và cấu trúc
của lò, người ta phân ra các loại lò như nêu trong bảng 2.
Bảng 2. Phân loại các loại lò
Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên

10 loại lò đang được sử dụng và nghiên cứu phát triển. Rất khó có thể đánh giá
ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác. Việc mỗi quốc gia sử dụng và
phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là ý đồ chiến lược của
mỗi quốc gia, sau đó là trình độ khoa học - công nghệ và khả năng tham gia của
công nghiệp nội địa. Mặc dù số loại lò nhiều như vậy nhưng đa số hoặc đã bị loại
bỏ khỏi xu hướng phát triển hoặc đang ở trạng thái thử nghiệm.Cho đến nay, thực
chất chỉ mới có ba loại được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng
và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và PHWR. Tỷ phần số lượng lò
của các loại công nghệ như sau: Lò phản ứng nước áp lực: 60% (Pressurired Water
Reactor - PWR+VVER), kế theo đó là Lò phản ứng nước sôi: 21% (Boiling Water
Reactor - BWR), và cuối cùng là Lò nước năng kiểu CANDU: 7% (Pressurired
Heavy Water Reactor - PHWR), phần còn lại là các loại lò khác.
Chúng ta hãy xem xét sơ bộ 3 loại lò được phát triển nhiều nhất, phổ biến
nhất hiện nay đó là PWR, BWR và PHWR.
a). Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor
Đây là kiểu lò phổ biến nhất với trên 230 lò hiện đang vận hành trên khắp
thế giới. Thiết kế cơ bản của loại lò này có nguồn gốc từ các lò phản ứng hạt nhân
sử dụng trong các tầu ngầm hạt nhân. Chúng sử dụng nước thường làm chất tải
nhiệt và làm chậm. Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là dùng
nước trong chu trình làm nguội vòng một đi qua tâm lò với áp suất rất cao và chu
trình thứ hai được sử dụng là hơi được sinh ra để chạy tuôc bin.
Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 325 0C, khi đó nước cần phải
ở mức áp suất 150 lần áp suất khí quyển để ngăn chặn việc làm sôi nước, áp suất
được duy trì nhờ hơi trong bộ điều áp. Trong chu trình vòng I nước cũng đóng vai
trò của chất làm chậm nên nếu nước trở thành hơi thì sẽ làm cho phản ứng phân
hạch bị giảm xuống. Hiệu ứng phản hồi âm này là một trong những đặc trưng an
toàn nội tại của loại lò PWR. Hệ thống dập lò thứ cấp thực hiện việc bổ sung thêm
bo vào vòng sơ cấp.
Vòng thứ cấp được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ
trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nước làm quay tuôc bin máy phát để sản

xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua
các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp.
Yêu cầu độ sạch của nước vòng hai rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ tiêu
kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở tuốc bin đều được ngưng tụ và đưa trở
lại chu trình công nghệ. Do vậy, vòng hai của nhà máy ĐHN cũng là một chu trình
kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát.
PWR là một loại lò nước nhẹ với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất
làm chậm nơtron và có thùng lò chịu áp lực.
Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào/ra của chất tải nhiệt
và đáy hình elíp. Bên trong thùng lò có giếng lò hình trụ dùng để bố trí vùng hoạt
và tổ chức dòng chuyển động của chất tải nhiệt. Thùng lò chịu áp suất lớn và chịu
bức xạ cao được chế tạo rất phức tạp. Mặt trong vỏ lò tiếp xúc với nước được phủ
một lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và giảm quá trình giòn vỏ lò do tương tác
của dòng nowtrôn cao, chiếu xạ mạnh. Để bảo đảm độ bền, thùng lò được làm với
số mối hàn ít nhất. Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một thời gian dài từ 40
đến 60 năm. Các thông số của lò PWR công suất 1160 MWe được trình bày trong
bảng 3.
Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và hệ thống điều khiển được bố trí ở phía
trên vùng hoạt. Điều này cho phép các thanh điều khiển có thể tự rơi vào vùng
hoạt để dập lò khi cần thiết.
Các lò PWR có các bó nhiên liệu với số lượng thanh nhiên liệu trong mỗi
bó từ 200-300 tuỳ thuộc cấu hình của bó nhiên liệu (15 x 15, 16 x 16, 17 x 17,
v.v.), các bó nhiên liệu được sắp trong thùng lò chịu áp lực theo chiều thẳng đứng.
Tổng số bó nhiên liệu vào khoảng 150-250 và tổng trọng lương khoảng 80-100 tấn
uranium.
Các bó nhiên liệu của lò PWR cũng như của lò BWR trong trường phái
thiết kế của các nước phương Tây có dạng hình hộp vuông, còn trong các lò do
Nga thiết kế có dạng hình hộp lục giác đều, trong đó bố trí ô mạng vuông hay tam
giác. Các thanh nhiên liệu có dạng hình ống bên trong xếp các viên nhiên liệu UO2
có đường kính 8 mm và chiều cao 10 mm. Giữa vỏ bọc và viên nhiên liệu là rãnh

khí He, phía trên có lò xo nén giữ và khoảng trống chứa khí phóng xạ thoát ra
trong phản ứng hạt nhân. Các thanh nhiên liệu hợp lại thành các bó nhiên liệu. Các
bó nhiên liệu nạp vào lò có thể có hoặc không có vỏ hộp bọc ngoài tùy từng lò. Các
hộp này được đục lỗ để tạo dòng chảy ngang có tác dụng dàn đều trường nhiệt độ
vùng hoạt.
Nhà máy ĐHN với lò PWR có sơ đồ công nghệ hai vòng. Trong sơ đồ công
nghệ này nhất thiết phải có thiết bị sinh hơi là thành phần phân chia hai vòng. Có
thể nói thiết bị sinh hơi thuộc vòng một hay thuộc vòng hai đều đúng.
Hình 6.
Trong thiết bị sinh hơi, để truyền được nhiệt từ vòng một sang vòng hai
cần phải có chênh lệch nhiệt độ giữa nước vòng một (không được sôi) và nước sôi
thuộc vòng hai. Để tránh sôi nước trong vòng một, áp suất của nó phải đủ lớn,
thường là cao hơn nhiều so với áp suất vòng hai. Do vậy, tính kinh tế nhiệt của nhà
máy hai vòng bao giờ cũng thấp hơn nhà máy một vòng có áp suất trong lò như
nhau.
Thiết bị sinh hơi là một thành phần cần thiết trong nhà máy ĐHN với lò
PWR. Nó cách ly sự lan truyền chất phóng xạ từ vòng một sang vòng hai, giúp
cho việc vận hành nhà máy được thuận tiện hơn. Nhưng mặt khác, thiết bị sinh
hơi là một khâu yếu trong nhà máy ĐHN với lò PWR. Trong thiết bị này, có
hàng ngàn ống trao đổi nhiệt, nhiều hỏng hóc thường hay xẩy ra với các ống này
như tắc nghẽn, đứt gẫy, thủng do ăn mòn và cọ xát gây rò nước có phóng xạ từ
vòng một sang vòng hai. Để khắc phục những hỏng hóc này, thường đòi hỏi phải
mất thời gian, tốn kém và phải dừng nhà máy, gây ảnh hưởng đến kinh tế.
Thoáng nhìn người ta có cảm giác nhà máy ĐHN hai vòng cần vốn đầu tư
nhiều hơn nhiều so với nhà máy một vòng. Nhưng do yêu cầu đảm bảo an toàn
phóng xạ, phải xử lý (trao đổi ion) toàn bộ lưu lượng nước ngưng tụ (sau tuốc
bin) đã làm cho chỉ số quan trọng như giá công suất đặt mỗi KW của nhà máy
một vòng hầu như xấp xỉ với nhà máy hai vòng.
b).Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor
Về mức độ phổ biến cũng như các hãng cung cấp, các nước sử dụng thì

lò nước sôi BWR chỉ đứng sau lò nước áp lực PWR. Nguyên lý thiết kế và hoạt
động căn bản của các lò nước sôi là sử dụng chu trình trực tiếp. Nước trong vùng
hoạt lò phản ứng được làm sôi nhờ phản ứng phân hạch và sinh ra hơi nước trực
tiếp chạy tuôc bin máy phát. Nước trong thùng lò bao gồm hai phần: nước và hơi
nước, do đó việc sử dụng chu trình trực tiếp thể hiện sự khác biệt với các công
nghệ khác ở những đặc tính cơ bản sau:
o Không có máy sinh hơi (chu trình trực tiếp).
o Giảm được áp lực trong lò trong khi vẫn đạt được hiệu suất cao.
o Phần lưu chuyển của các vật chất phóng xạ rộng hơn.