Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long vii GVHD: TS. Lê Chí Kiên


MC LC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Li cam đoan iii
Cảm tạ iv
Tóm tắt v
Mục lục vii
Danh sách các hình x
Danh sách các bảng xii
Chngă1:ăTNG QUAN 1
1.1. Giới thiệu chung 1
1.2. Tính cấp thiết ca đề tài 2
1.3. Mục đích nghiên cu 3
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn ca đề tài 3
1.5. Phương pháp nghiên cu 3
Chngă2: NĔNGăLNG NHIT HCH 4
2.1. Lịch sử phát triển ca năng lượng nhiệt hạch 4
2.2. Các khái niệm và ưu điểm ca năng lượng nhiệt hạch 7
2.3. Một s phản ng nhiệt hạch 10
2.4. Cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam bằng quán tính 10
2.4.1. Định nghĩa 10
2.4.2. Nguyên lý hoạt động 11
Chngă3:ăNHÀăMÁYăNHITăĐIN TUABIN 13
3.1. Nhà máy điện áp dụng chu trình tuabin khí 13
3.1.1. Giới thiệu chung về tuabin khí 13

3.1.2. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp 14
3.1.3. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt 15
3.2. Nhà máy điện áp dụng chu trình tuabin hơi 16
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long viii GVHD: TS. Lê Chí Kiên


3.2.1. Giới thiệu chung 16
3.2.2. Chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine) 16
3.2.3. Chu trình hồi nhiệt (tuabin hơi) 18
3.3. Kết luận 19
Chngă4: MÔ PHNG H THNGăPHÁTăĐIN TUABIN KT HP
VIăNĔNGăLNG NHIT HCH 20
4.1. Giới thiệu 20
4.2. Mô hình lò phản ng ICF sử dụng khí nhiệt độ cao 22
4.2.1. Lớp trong và lớp v ngoài 22
4.2.2. Hai vùng nhiệt độ 22
4.2.3. Mô hình lò phản ng ICF sử dụng khí nhiệt độ cao 23
4.2.4. Bộ điều chỉnh năng lượng 24
4.3. Sự cân bằng năng lượng ca nhà máy phát điện ICF 25
4.4. Nhà máy điện tuabin khícấp nhiệt đẳng áp 27
4.5. Nhà máy điện tuabin hơi 33
4.6. Nhà máy điện hỗn hợp tuabin khí – hơi 37
4.7. Hệ thng phát điện tuabin (khí – hơi) kết hợp với năng lượng nhiệt
hạch 41
Chngă5:ăTệNHăTOÁNăMỌăPHNG H THNG TUABIN KT HP
VIăNĔNGăLNG NHIT HCH 47
5.1. Nhà máy nhiệt điện hỗn hợp khí – hơi 47
5.1.1. Tính toán cho chu trình tuabin khí 50

5.1.2. Chu trình tuabin hơi 53
5.2. Nhà máy nhiệt điện hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch 59
5.2.1. Sử dụng nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để thay thế dần khí đt 59
5.2.2. Sử dụng nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để bổ sung vào nguồn nhiệt cấp 68
5.3. Mô phng tính toán “Hệ thng phát điện tuabin kết hợp với năng lượng
nhiệt hạch” sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 73
5.3.1. Giới thiệu chung 74
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long ix GVHD: TS. Lê Chí Kiên


5.3.2. Tính toán 77
Chngă6:ăKT LUN 81
6.1. Một s nhận xét về hệ thng phát điện tuabin khí – hơi – nhiệt hạch 81
6.2. Kết luận và hướng phát triển 82
TÀI LIU THAM KHO 84

Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long x GVHD: TS. Lê Chí Kiên


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1: Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới từ 1980 – 2030 2
Hình 2.1:Sơđồ khi ca phản ng D – T 9
Hình 2.2: Sơ đồ khi miêu tả các quá trình ca cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam
bằng quán tính 12
Hình 3.1: Sơ đồ khi ca tuabin khí 14
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp 14
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt 15
Hình 3.4: Sơ đồ khi ca tuabin hơi (chu trình Rankine) 17
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý ca chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine) 17
Hình 3.6:Sơ đồ nguyên lý ca chu trình hồi nhiệt 18
Hình 4.1: Chu trình phát điện ICF 20
Hình 4.2: Năng lượng từ phản ng nhiệt hạch được cha  lớp trong và lớp
ngoài 22

Hình 4.3: Mô hình biểu diễn 2 vùng nhiệt độ 23
Hình 4.4: Mô hình lò phản ng ICF sử dụng khí để có được nhiệt độ cao 24
Hình 4.5: Mô hình cân bằng năng lượng ca nhà máy phát điện ICF 25
Hình 4.6: Đồ thị p – v và T – s ca chu trình tuabin khí 28
Hình 4.7: Đồ thị T – s ca chu trình Rankine 34
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp khí – hơi 37
Hình 4.9: Đồ thị T – s chu trình hỗn hợp 38
Hình 4.10:Sơ đồ nguyên lý chu trình tuabin khí – hơi kết hợp nhiệt hạch 42
Hình 4.11:Đồ thị T – s ca chu trình hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch 43
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện hỗn hợp khí – hơi 48
Hình 5.2: Đồ thị T – s ca chu trình hỗn hợp khí – hơi 49
Hình 5.3: Đồ thị p – v, T – s chu trình tuabin khí 50
Hình 5.4: Đồ thị T – s chu trình tuabin hơi 53
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long xi GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp khí – hơi – nhiệt hạch 59
Hình 5.6: Đồ thị T – s ca chu trình khí – hơi – nhiệt hạch 60
Hình 5.7: Quá trình trao đổi nhiệt giữa nhiệt hạch và khí nén 62
Hình 5.8: Biểu đồ cột hệ s sử dụng nhiệt hạch 64
Hình 5.9: Tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt hạch và lượng giảm thải CO
2
67
Hình 5.10: Đồ thị T – s chu trình hỗn hợp có bổ sung nhiệt từ nhiệt hạch 68
Hình 5.11: Form 1 74
Hình 5.12:Form 2 75
Hình 5.13:Form 3 76
Hình 5.14:Form 4 77

Hình 5.15:Đồ thị biểu diễn tỷ lệ CO
2
đã giảm tương ng với nhiệt độcung cấp
từ lò phản ng nhiệt hạch 79

















Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long xii GVHD: TS. Lê Chí Kiên


DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 5.1: Bảng giá trị thông s trạng thái  các điểm đặc trưng ca tuabin

khí 52
Bng 5.2: Giá trị các đại lượng cơ bản ca chu trình tuabin khí 53
Bng 5.3: Kết quả tính toán các đại lượng đặc trưng 58
Bng 5.4: Quan hệ giữa nhiệt độ ra ca lò nhiệt hạch và hệ s sử dụng nhiệt
hạch 67
Bng 5.5: Kết quả tính toán các đại lượng đặc trưng 73
Bng 5.6: Kết quả tính toán khi sử dụng nguồn nhiệt từ lò nhiệt hạch để thay
thế dần khí đt với nhiệt độ cung cấp từ 800K – 1400K 78
Bng 5.7:Kết quả tính toán khi thay đổi nguồn nhiệt từ nhiệt hạch để bổ sung
vào nguồn nhiệt cấp với nhiệt độ thay đổi từ 100K – 400K 80
Bng 6.1: Lượng nhiên liệu tiết kiệm và lượng CO
2
giảm còn tương ng với
nhiệt độ ra từ lò nhiệt hạch 82






Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 1 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Chngă1
TNG QUAN

1.1. Gii thiu chung
Điện năng là nhu cầu không thể thiếu trong sản xuất cũng như trong đi sng

ca con ngưi. Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện sử dụng các nguồn
nhiên liệu khác nhau như: than, dầu, khí đt… (nhiên liệu hóa thạch) hoặc các
nguồn năng lượng mới: năng lượng tái tạo (gió, mặt tri, sinh khi, sóng biển…),
năng lượng nguyên tử.
Nhìn chung, sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch là loại hình được sử dụng
ch yếu trên thế giới nói chung và  Việt Nam nói riêng, mặc dù nó vẫn có một s
nhược điểm như: ô nhiễm môi trưng, giá nhiên liệu cao và đang dần cạn kiệt…
.Trong khi đó, sản xuất điện từ năng lượng mới tuy đã có nhiều thành tựu, kết quả
rõ ràng nhưng nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi bằng nhiên liệu hóa thạch vì một
s lý do chính như: chi phí đầu tư cao (điện nguyên tử), hiệu suất nhiệt thấp hơn
nhiên liệu hóa thạch (sinh khi, điện nguyên tử…) và một vài nguyên nhân khác.
Thế giới ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, trong
khi đó những nguồn nhiên liệu hóa thạch ch yếu dùng để sản xuất ra điện năng
hiện nay đang dần cạn kiệt nên vấn đề cấp bách lúc này đó là tìm mọi phương án
nhằm nâng cao hiệu suất đồng thi nghiên cu tìm kiếm thêm nhiều nguồn năng
lượng mới có hiệu suất cao để dần thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Mặt khác, khoa học đã tính toán và thấy được mi nguy hại ca sự nóng lên
toàn cầu do lượng khí thải gây hiệu ng nhà kính đang ngày càng gia tăng (phần lớn
là do lượng khí thải sinh ra khi sử dụng các nhiên liệu hóa thạch). Kết quả là các
nước phát triển đang trong giai đoạn đầu ca việcthực hiện các biện pháp ng phó
để giảm lượng khí thải gây hiệu ng nhà kính.Tuy nhiên, đây quả là một bài toán
phc tạp vì vừa phải làm giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong khi vẫn duy trì
mc tiêu thụ điện năng cao với chi phí điện năng thấp.
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 2 GVHD: TS. Lê Chí Kiên



Hình 1.1: Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới từ 1980 – 2030.

1.2. Tính cấp thit củaăđ tài
Như đã đề cập  phần giớithiệuchung, ngày nay  mọi nơi trên thế giới ngưi
ta đều nói tới chiến lược phát triển năng lượng bền vững trong quy hoạch năng
lượng, trong đó vấn đề môi trưng được xem là một nhân t quan trọng hàng đầu.
Điều này dẫn tới yêu cầu cấp thiết là phải tìm ra nhiều nguồn năng lượng cũng như
nhiều hệ thng mới mang lại hiệu suất cao, ít gây ảnh hưng tới môi trưng cũng
như tiết kiệm nhiên liệu… nhằm thay thế các loại năng lượng truyền thng đang dần
cạn kiệt.
Năng lượng nhiệt hạch là một nguồn năng lượng vô cùng quan trọng, hầu
nhưkhông thải khí CO
2
khi sản xuất điện do không dựa vào nhiên liệu hóa thạch, vì
thế nó không gây ô nhiễm môi trưng. Do đó, nếu kết hợp thêm năng lượng nhiệt
hạch vào hệ thng tuabin khí – hơi sẽ cho ra một hệ thng ti ưu hơn với một s ưu
điểm như:
 Giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ng nhà kính.
 Tiết kiệm và giảm chi phí đầu tư nhiên liệu.
 Hiệu suất cao.
Trên cơ s đó, em quyết định nghiên cu đề tài “Mô phng hệ thng phát
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 3 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch” nhằm góp phần giải quyết những
yêu cầu cấp thiết đã nêu.
1.3. Mcăđíchănghiênăcu
Đề tài “Mô phng hệ thng phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt
hạch” được thực hiện với mục tiêu nghiên cu tìm ra một hệ thng mới có hiệu suất
cao, tiết kiệm cũng như giảm chi phí đầu tư nhiên liệu và nhất là giảm đáng kể

lượng khí thải CO
2
gây ô nhiễm môi trưng nhằm góp phần giải quyết những yêu
cầu cấp thiết hiện nay ca khoa học đặc biệt là yêu cầu về vấn đề môi trưng.

1.4. Nhim v và gii hn củaăđ tài
Dựa vào hệ thng phát điện tuabin khí – hơi đã và đang được sử dụng rộng
rãi trên thế giới, ta kết hợp thêm năng lượng nhiệt hạch vào để đạt được một hệ
thng mới tt hơn. Tuy nhiên, hệ thng mới này vẫn chưa được đưa vào ng dụng
rộng rãi mà chỉ dừng  mc độ thử nghiệm do ngày nay con ngưi vẫn chưa thực sự
kiểm soát tt nguồn năng lượng nhiệt hạch.
1.5. Phngăpháp nghiên cu
Dựa vào phân tích lý thuyết để làm rõ nguyên lý hoạt động ca hai hệ thng
phát điện là tuabin khí – hơi và tuabin khí – hơi – nhiệt hạch. Các s liệu được tính
toán theo các công thc, thực nghiệm và có sự hỗ trợ ca phần mềm Visual Basic
6.0 để so sánh hiệu quả làm việc giữa hai hệ thng này.







Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 4 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Chng2
NĔNGăLNG NHIT HCH

(NĔNGăLNG HP HCH)

2.1. Lch sử phát trin củaănĕngălng nhit hch
Vào năm 1920, Aston đã phát hiện ra khi lượng ca hạt nhân helium nh
hơn 4 lần khi lượng ca nguyên tử hydro. Ngay sau đó, Eddington quan sát thấy
rằng sự biến đổi hydro thành helium có thể cung cấp đ năng lượng để duy trì sự
hoạt động ca Mặt tri và nhìn chung là ging như những phản ng hạt nhân xảy ra
trong các ngôi sao. Tuy nhiên, ông ta thấy ngạc nhiên bi nhiệt độ ca ngôi sao quá
thấp để cho phép các hạt phản ng có hiệu quả.
Chỉ khi vào thi kỳ đầu ca sóng cơ học thì Gurney, Condon (1929) và
Gamow (1928) mới tính toán được xác suất ca sự xuyên qua một màn chắn.
Gamow cho thấy là theo lý thuyết đưng hầm (hay xuyên hầm) cơ học lượng tử đã
giải thích được những quan sát trên phân rã hạt α. Vào năm sau, Atkinson và
Houtermans đã sử dụng kết quả ca Gamow để chỉ ra là sự xuyên hầm này m
đưng cho các phản ng nhiệt hạch ca hydro và có thể là nguyên nhân cho việc
sản sinh ra năng lượng trong những ngôi sao.
Vào năm 1932, Cockcroft và Walton tại phòng thí nghiệm Cavendish thuộc
trưng đại học Cambridge (dưới sự hướng dẫn ca Lord Rutherford) lần đầu tiên
phát hiện và tạo ra được một phản ng hạt nhân bằng cách bắn phá những mẫu thử
lithium với một chùm tia proton 100keV được tạo ra bi một máy gia tc do họ
thiết kế và chế tạo (do Cockroft và Walton chế tạo vào năm 1932). Vào hai năm tiếp
theo, tại phòng thí nghiệm tương tự, một nhóm nghiên cu do Lord Rutherford dẫn
đầu gồm các thành viên: Oliphant, Lewis, Hartweck, Kempton, Shire và Crouther,
đã phát hiện ra nhiều phản ng nhiệt hạch khác giữa những nguyên t nhẹ và các
proton hay các đơtron (Deuteron) được gia tc (xem thêm Chadwick 1965;
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 5 GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Oliphantet al.1934a,b).
Tuy vậy, đơteri (Deuterium) đã được phát hiện vào năm 1932 bi Urey cùng
các đồng nghiệp (Urey và Teal 1935) và những mẫu thử tinh khiết cũng được sản
xuất ra với s lượng đáng kể. Với một lượng nh sớm có sẵn trong phòng thí
nghiệm Cavendish, các phản ng tạo ra đơteri (Deuterium) đã được chng
minh.Điều này cũng dẫn tới việc phát hiện ra tritium vào năm 1934, tritium được
tạo ra từ một trong những phản ng DD. Tuy nhiên tính bất ổn định ca tritium chỉ
được phát hiện ra bi Alvarez vào năm 1939.
Vào năm 1937, Von Weizsäcker đề xuất chuỗi phản ng PP vn là nguồn
gc ca năng lượng Mặt tri. Tuy vậy, những lập luận về các thiếu sót ca vùng ảnh
hưng thích hợp để tính toán cho những quan sát thiên văn đã được chỉ ra bi Bethe
và Critchfield vào năm 1938 (chính hai ngưi này đã phát triển một lý thuyết ca
phản ng đó) dựa trên kết quả nghiên cu về phân rã

ca Fermi, Gamow và
Teller.
Không lâu sau đó, Bethe (1939) đã phát triển lý thuyết về chu trình CNO sản
sinh năng lượng trong các ngôi sao. Chỉ trong vài năm, với những sự đóng góp quan
trọng ca Bethe, Von Weizsäcker, Gamow, Teller và một s ngưi khác, những
điều cơ bản về sự tổng hợp hạt nhân ca các sao đã được thành lập. Các phản ng
chính được xác định và sau đó họ tiến hành tính toán gần đúng và kết quả được so
sánh với những dữ liệu sẵn có về thành phần ca sao. Một bản tóm tắt về những
thành quả ban đầu ca những nghiên cu về tổng hợp hạt nhân có thể được tìm thấy
trong một bài báo nổi tiếng ca Burbidge et al. (1957).
Trong chiến tranh, một s nhà khoa học đã phát triển vũ khí phân hạch và
xem xét khả năng khai thác các phản ng hạt nhân từ các loại vũ khí này.Cơ s cho
việc nghiên cu năng lượng nhiệt hạch cũng được đưa ra trong các cuộc thảo luận
giữa Fermi, Teller, Konopinsky và những ngưi khác. Cùng lúc đó, những vùng
chịu ảnh hưng do những phản ng DD đã được đo khá chính xác. Một nhóm
nghiên cu từ trưng đại học Purdue (có lẽ là theo li đề nghị ca Bethe) đã tiến

hành đo vùng ảnh hưng ca DT. Và điều làm mọi ngưi phải ngạc nhiên là kết quả
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 6 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


cho thấy DT có vùng ảnh hưng lớn hơn nhiều so với DD (Divenet al. 1983). Và
kết quả chỉ được công b vào năm 1948 (Hanson et al. 1949) sau khi các phép đo
cải tiến được thực hiện. Lý thuyết về phản ng DT phải đến năm 1950 mới được
xuất bản bi Flowers, trong khi những phương pháp xử lý DT đã xuất hiện vào cui
những năm 1930, và trước đó đã được xem xét đánh giá kỹ bi Konopinski và
Teller (1948).
Vùng ảnh hưng cho những phản ng D cơ bản đã được đo đạc một cách
chính xác thêm lần nữa vào đầu những năm 50 (Arnold et al. 1954) và có thể nói
vào lúc này, ngưi ta đã bắt đầu quan tâm tới các nguyên tắc vật lý cơ bản về các
phản ng nhiệt hạch hạt nhân để kiểm soát sự sản sinh ra năng lượng.
Vào giữa những năm 1949 và 1955, những nỗ lực trong chiến tranh lạnh đã
dẫn đến sự phát triển ca các vũ khí nhiệt hạch để phục vụ mục đích quân sự, chúng
vn là những thiết bị được chế tạo trên cơ s lợi dụng sự phát tán (giải phóng) năng
lượng từ những phản ng nhiệt hạch. Những nghiên cu về nhiệt hạch kiểm soát
được đã được bắt đầu thực hiện  vài quc gia vào giữa những năm 1946 và 1950,
chúng được thực hiện rất bí mật và kiểm soát khá chặt chẽ. Và phải vào những năm
giữa thập niên 1950 thì những nghiên cu nói trên mới được giải mật (đăng vào
năm 1956; Longmireet al. 1959).Và những chương trình nhiệt hạch lớn  các nước
công nghiệp ch yếu và những cun sách cơ bản về các phản ng nhiệt hạch và
plasma (hiện nay, chúng đã tr thành những vấn đề kinh điển)bắt đầu xuất hiện
(Spitzer 1962; Glasstone and Lovberg 1960; Rose and Clarke 1961; Artsimovich
1964).
Năm 1956, khi đến thăm các trung tâm nghiên cu khoa học ca Vương
quc Anh, Viện sĩ I.V.Kurchatov đã cho các đồng nghiệp ngoại quc biết những

kết quả mà giới khoa học Liên Xô đạt được trong lĩnh vực nhiệt hạch. Liên Xô là
nước đầu tiên trên thế giới không giấu giếm các công trình nhiệt hạch ca mình.
Thiết bị do Liên Xô tạo ra được đặt tên là Tokamak. Cho đến nay, Tokamak đã
được phát triển và cải tiến khá nhiều nhằm kiểm soát được các phản ng nhiệt hạch
nhằm phục vụ cho một s nhu cầu ca con ngưi.
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 7 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


2.2. Các khái nimăvƠăuăđim củaănĕngălng nhit hch
Phản ng nhiệt hạch hay phản ng hợp hạch, trong vật lý học, là quá trình 2
hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn. Cùng với quá trình
này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khi lượng ca
hạt nhân tham gia. Nhân sắt và nickel có năng lượng kết ni nhân lớn hơn tất cả các
nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác. Sự kết hợp hạt nhân ca các nguyên tử
nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn
thì hấp thụ năng lượng.
Phản ng hợp hạch là một trong hai loại phản ng hạt nhân. Loại kia là phản
ng phân hạch.
Phản ng nhiệt hạch ca các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng ca các ngôi
sao và làm cho bom hydro nổ. Phản ng nhiệt hạch ca các nhân nặng thì xảy ra
trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh).Phản ng nhiệt hạch trong các sao và
các chòm sao là quá trình ch yếu tạo ra các nguyên t hóa học tự nhiên.
Nhiên liệu thưng dùng trong phản ng nhiệt hạch là đồng
vịdeuterium,tritium ca hydro.Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành
phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tn kém từ nguyên tử hydro.
Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tn một nguồn năng lượng rất
lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều đó được giải thích là do các
quá trình ca phản ng đều khó thực hiện: đầu tiên cần phải nguyên tử hóa các phân

tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thi tách loại electron để biến nhiên
liệu phản ng hoàn toàn tr thành hạt nhân không có electron  thể plasma. Sau đó
cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua lực tương tác
Coulomb giữa chúng mà va vào nhau. Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ
C. Nhưng sự kết hợp ca các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải
phóng 1 neutron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc
đầu khi hợp nhất hạt nhân. Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng
có thể tạo ra phản ng tự duy trì (Tuy nhiên, từ hạt nhân sắt tr đi, việc tổng hợp hạt
nhân tr nên thu nhiệt nhiều hơn ta nhiệt). Việc cần nhiều năng lượng để khi động
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 8 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


thưng đòi hi phải nâng nhiệt độ ca hệ lên cao trước khi phản ng xảy ra. Chính vì
lý do này mà phản ng hợp hạch còn được gọi là phản ng nhiệt hạch.
Năng lượng phóng thích từ phản ng hạt nhân thưng lớn hơn nhiều so với
phản ng hóa học, bi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn
nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1
electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nh hơn 1 phần triệu ca 17 MeV giải phóng từ
phản ng D – T (deuterium – tritium, các đồng vị ca hyđro).
Hiện nay, nghiên cu về tính khả thi ca phương pháp hợp hạch ta có thểxem
đây là một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện với hi vọng
khng chế được tc độ cũng như lượng nhiệt ca phản ng.Với các vật liệu được
biết đến ngày nay thì không có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao ca phản
ng.Hiện tại phản ng nhiệt hạch được thực hiện một cách không khng chế nên
gây lãng phí năng lượng.Vì vậy,một trong những mục tiêu quan trọng nhất ca vật
lí học hiện nay là thực hiện phản ng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được.Một s
nghiên cu hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt
nhân, ép chúng  nhiệt độ rất cao để gây ra phản ng. Ngoài ra, ngưi ta cũng có

thể dùng từ trưng ngoài khng chế các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm
vào thành bình cha chúng, giữ cho phản ng được thực hiện trong điều kiện ít tn
kém và hiệu suất cao.
Nếu việc ng dụng công nghệ năng lượng này tr thành hiện thực, nó sẽ tr
thành nguồn năng lượng lý tưng cho con ngưi. Các đặc tính ưu việt như: mật độ
năng lượng rất cao (lớn hơn hàng tỷ lần mật độ năng lượng ca các nhiên liệu hóa
thạch, hơn hàng chục lần mật độ năng lượng ca nhiên liệu phân hạch), hoàn toàn
không gây ô nhiễm môi trưng (nếu nhiên liệu là các đồng vị ca hydro như D, T thì
sản phẩm thải là heli, khí hiếm hoàn toàn không gây bất kì ảnh hưng nào đến môi
trưng), công nghệ hạt nhân và tổng hợp đồng vị phát triển và nguồn nhiên liệu thô
hydro dùng để tổng hợp D, T là vô tận trong vũ trụ, là một trong những điểm vượt trội
ca loại hình năng lượng này mà không có loại hình năng lượng nào khác có được.
Một khi công nghệ hóa hữu cơ đã phát triển được vật liệu thích hợp làm bình cha cho
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 9 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


phản ng, và công nghệ hạt nhân tìm ra được phương pháp khng chế hiệu quả, thì loại
năng lượng này sẽ tr thành một nguồn năng lượng không thể thiếu ca con ngưi.



Hình 2.1: Sơđồ khi ca phản ng D – T.

Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 10 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


2.3. Mt s phn ng nhit hch

2.4. Căch tng hp nhit hch giam bằng quán tính
2.4.1.Đnhănghĩa
Cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam bằng quán tính (inertial confinement
fusion, viết tắt là ICF) là một quá trình mà các phản ng nhiệt hạch được kích hoạt
bằng cách gia nhiệt và nén nhiên liệumục tiêu (nhiên liệu mồi), thưng thì nhiên
liệu này  dạng hạt (hoặc viên) và hầu hết đều cha một hỗn hợp ca deuterium và
tritium.
Để nén và gia nhiệt nhiên liệu, năng lượng được gửi đến lớp ngoài ca nhiên
liệu này bằng cách sử dụng những chùm tia laze, electron hay ion có năng lượng
cao và hầu như tất cả các thiết bị ICF từ trước đến nay đều sử dụng tia laze. Lớp
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 11 GVHD: TS. Lê Chí Kiên

ngoài khi được làm nóng  nhiệt độ khá cao nó sẽ phát nổ và tạo ra một lực ép để ép
phần còn lại ca nhiên liệu, sau đó sc ép nhanh chóng tác động vào phần trong và
nén nhiên liệu.Quá trình này được thiết kế để tạo ra các sóng xung kích đi xuyên
vào trong nhiên liệu mục tiêu.Và khi có được một tập hợp nhiều sóng xung kích đ
mạnh ta có thể dùng để nén và làm nóng nhiên liệu  phần lõi (trung tâm) từ đó tạo
ra các phản ng nhiệt hạch.
Mục đích ca ICF là tạo ra một trạng thái được gọi “đánh lửa”, tại trạng thái
này, quá trình gia nhiệt sẽ gây ra một phản ng dây chuyền đt cháy một lượng
nhiên liệu đáng kể. Các hạt nhiên liệu điển hình có kích thước vào khoảng một đầu
kim và cha khoảng 10 mg nhiên liệu: trong thực tế chỉ có một lượng tỷ lệ nh
được dùng vào phản ng nhiệt hạch nhưng nếu toàn bộ nhiên liệu được tiêu thụ thì
nó sẽ sinh ra năng lượng tương đương với năng lượng tạo ra từ việc đt cháy một
thùng dầu.
2.4.2.Nguyên lý hotăđng
1. Các chùm laser hoặc tia X đt nóng cực nhanh lớp v viên nhiên liệu có
mật độ cao, tạo ra lớp plasma bề mặt.
2. Vật chất lớp v phát nổ tạo nên lực ép dưới dạng sóng xung kích hướng
vào tâm và nén nhiên liệu đồng thi phản ng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra mang tính
cục bộ đt nóng thêm viên nhiên liệu.
3. Vào giai đoạn cui ca quá trình mồi, nhiệt độ lên tới hằng triệu độ và
kích nổ nhiệt hạch.
4. Quá trình đt cháy nhiệt hạch diễn ra và lan truyền nhanh trong khi
nhiên liệu bị nén, sinh ra năng lượng nhiều hơn nhiều lần năng lượng mồi.

Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 12 GVHD: TS. Lê Chí Kiên

Hình 2.2:Sơ đồ khi miêu tả các quá trình ca cơ chế tổng hợp nhiệt hạch giam
bằng quán tính.

















Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 13 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Chng 3
NHÀ MÁY NHITăĐIN TUABIN

3.1. NhƠămáyăđin áp dng chu trình tuabin khí
3.1.1. Gii thiu chung v tuabin khí
Tuabin là động cơ nhiệt biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, không khí được

nén đến một áp suất cao nh máy nén, khí nén kết hợp với nhiên liệu đưa vào buồng
đt để thực hiện quá trình cháy.Sản phẩm cháy sau khi ra khi buồng đt được thổi
vào cánh động tuabin làm quay tuabin và quay máy phát điện.
Mỗi tuabin có thể có một hay nhiều trục. Tuabin khí là động cơ nhiệt dạng
rôto, môi chất giãn n sinh công trong tuabin được xem là không khí (không khí
nén cháy với nhiên liệu chỉ chiếm khoảng 30%). Động cơ gồm ba phần chính: máy
nén khí kiểu rôto, buồng đt và tuabin. Tuabin và máy nén có cùng một trục để khi
tuabin quay sẽ làm quay máy nén.
Nhà máy điện áp dụng chu trình tuabin khí đã và đang được sử dụng rộng rãi
do một s ưu điểm sau:
 Nh gọn.
 Khi động và lấy tải nhanh.
 Cấu tạo và vận hành đơn giản.
 Vn đầu tư cho một đơn vị công suất nh.
 Không cần nước để giải nhiệt.
Bên cạnh đó, nó cũng có một s nhược điểm:
 Công suất tổ máy bị giới hạn (nh hơn 200MW)
 Hiệu suất thấp.
 Sử dụng nhiên liệu đắt tiền.
 Gây nhiều tiếng ồn.
Dựa vào quá trình cháy ca nhiên liệu, chu trình được chia làm hai loại:
Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp và tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích, so với chu trình cấp
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 14 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


nhiệt đẳng tích thì chu trình cấp nhiệt đẳng áp làm việc có hiệu quả hơn đồng thi ít
xảy ra sự c khi vận hành.
3.1.2. Tuabin khí cấp nhităđẳng áp

Hình 3.1: Sơ đồ khi ca tuabin khí.


Hình 3.2:Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp.
Trong đó:
1: Bơm nhiên liệu.
2: Máy nén.
3: Các vòi phun.
4: Buồng đt.
5: ng tăng tc.
6: Tuabin.
7: Máy phát điện.
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 15 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Nguyên lý làm vic
Máy nén 2 hút không khí ngoài tri nén đến áp suất cao kết hợp với bơm
nhiên liệu 1 thông qua các vòi phun 3 và được thổi vào buồng đt 4. Tại đây, nhiên
liệu và không khí có áp suất và nhiệt độ cao sẽ thực hiện quá trình cháy, quá trình
cháy xảy ra trong điều kiện áp suất không đổi. Sản phẩm cháy có được từ buồng đt
chuyển sang ng tăng tc 5 để thổi vào các cánh động ca tuabin 6 làm quay tuabin
đồng thi làm quay máy phát điện 7.  đây chỉ có khoảng 30% lượng khí nén tham
gia vào quá trình cháy, s còn lại được bổ sung vào dòng khí sau vùng cháy. Lượng
không khí này sẽ hòa trộn với sản phẩm cháy để làm giảm nhiệt độ ca hỗn hợp
trước khi cho giãn nỡ trong tuabin. S dĩ phải làm như thế là vì để đảm bảo quá
trình cháy nhiên liệu diễn ra mạnh mẽ và triệt để thì nhiệt độ trong buồng cháy phải

được duy trì  mc cao từ 1800 – 2300 K. Trong khi đó, nhiệt độ ca khí vào tuabin
chỉ cho phép  mc từ 900 – 1400 K.
3.1.3. Tuabin khí cấp nhităđẳng áp có hi nhit
Đi với chu trình tuabin khí có nhiều cách để nâng cao hiệu suất nhiệt và một
trong những cách được áp dụng phổ biến là dùng phương pháp hồi nhiệt.

Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt.


Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 16 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Trong đó:
1: Bơm nhiên liệu
2: Máy nén khí.
3: Vòi phun.
4: Buồng đt.
5: ng tăng tc.
6: Tuabin.
7: Bộ hồi nhiệt.
8: Máy phát điện.
Nguyênălýăhotăđng
Nguyên lý hoạt động tương tự như chu trình không có hồi nhiệt, sự khác biệt
đó là thay vì khí sau khi nén được đưa trực tiếp vào buồng đt thì  đây khí nén
được gia nhiệt  bộ hồi nhiệt 7, làm nhiệt độ ca khí nén tăng lên trước khi đưa vào
thực hiện quá trình cháy trong buồng đt, làm cho quá trình cháy xảy ra triệt để hơn
và nâng cao hiệu suất.
3.2.ăNhƠămáyăđin áp dng chu trìnhătuabinăhi

3.2.1. Gii thiu chung
Các nhà máy nhiệt điện hiện nay sử dụng chu trình tuabin hơi chiếm một tỷ
lệ khá lớn do một s ưu điểm sau:
 Công suất lớn lên tới 1200MW.
 Hiệu suất cao.
 Nhiên liệu cấp cho lò hơi đa dạng, phong phú có thể thay thế dễ dàng.
3.2.2.ăChuătrìnhătuabinăhi (chu trình Rankine)
Chu trình Rankine là chu trình được áp dụng cho những nhà máy nhiệt điện
tuabin hơi, môi chất làm việc  chu trình này là nước và hơi nước.
Đi với nhà máy nhiệt điện thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó nước nhận
nhiệt từ quá trình đt cháy nhiên liệu.Với nhà máy điện mặt tri, địa nhiệt, nước
nhận nhiệt từ năng lượng mặt tri hoặc nhiệt trong lòng đất.Đi với nhà máy điện
nguyên tử, thiết bị sinh hơi được thay bằng thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó, nước
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 17 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


nhận nhiệt từ chất tải nhiệt ca lò phản ng hạt nhân.


Hình 3.4: Sơ đồ khi ca tuabin hơi (chu trình Rankine).
Săđ nguyên lý

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý ca chu trình tuabin hơi (chu trình Rankine).
Trong đó:
1: Lò hơi.
2: Bộ quá nhiệt.
3: Tuabin hơi.
4: Bình ngưng.

5: Bơm nước cấp.
6: Máy phát điện.
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 18 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


NguyênălýălƠmăvic
Lò hơi 1 có nhiệm vụ cấp nhiệt đẳng áp từ trạng thái nước chưa sôi đến trạng
thái nước sôi và đạt đến trạng thái hơi bão hòa khô, nhiên liệu cấp cho lò hơi bằng
nhiều nguồn khác nhau (rắn, lng, khí), hơi bão hòa khô tiếp tục được gia nhiệt
đẳng áp  bộ quá nhiệt 2, hơi sau khi ra khi bộ quá nhiệt sẽ là hơi quá nhiệt có áp
suất và nhiệt độ cao. Lúc này, hơi quá nhiệt cho giãn n sinh công  tuabin 3 đồng
thi làm quay máy phát điện 6.Hơi sau khi ra khi tuabin được ngưng tụ hoàn toàn
 bình ngưng 4, kế đó nước được bơm nước cấp 5 cấp vào lò hơi.
Nhnăxét: Hiệu suất nhiệt ca chu trình phụ thuộc các thông s vào và ra ca
tuabin, do vậy để nâng cao hiệu suất nhiệt ca chu trình bằng cách ta tăng nhiệt độ
và áp suất vào đồng thi giảm áp suất ra tuabin.
3.2.3. Chu trình hi nhită(tuabinăhi)
Trong thực tế hiện nay đi với các tuabin hơi ngưi ta thưng sử dụng
phương pháp hồi nhiệt, nguyên tắc cơ bản ca chu trình này là thay vì nhiệt thải ra
môi trưng ngưi ta tận dụng nguồn nhiệt này để nung nóng nước trước khi cấp vào
lò hơi làm cho hiệu suất nhiệt ca chu trình sẽ tăng lên.
Trong thực tế, ngưi ta lần lượt trích từng phần hơi  các tầng ca tuabin để
gia nhiệt cho nước trước khi bơm vào lò hơi.
Ta có sơ đồ nguyên lý ca chu trình hồi nhiệt có 2 cửa trích:

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý ca chu trình hồi nhiệt.
Luận văn Thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch

HVTH: Lê Kim Long 19 GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Trong đó:
a: Lò hơi.
b: Bộ quá nhiệt.
c: Tuabin.
d: Bình ngưng.
e,g,h: Bơm.
f,i: Bộ gia nhiệt.
Nguyên lý hotăđng
Nếu ta tính cho 1kg nước từ trạng thái 3’’’ được đưa vào lò hơi để cấp nhiệt
ng với quá trình 3’’’ – 4 – 5, sau đó hơi bão hòa khô được đưa vào bộ quá nhiệt để
biến thành hơi quá nhiệt ng với trạng thái 1 (t
1
, p
1
). Hơi quá nhiệt cho giãn n
trong các tầng cao áp ca tuabin ng với quá trình 1 – 2a, cui tầng cao áp ngưi ta
trích một lượng hơi (g
1
) kg để gia nhiệt cho nước, lượng hơi còn lại là (1 – g
1
) kg có
enthalpy i’ tiếp tục cho giãn n trong các tầng trung áp ca tuabin, quá trình 2a –
2b. Cui tầng trung áp, tuabin cũng được trích (g
2
) kg để gia nhiệt cho nước, lượng
hơi còn lại (1 – g
1

– g
2
)kg có enthalpy i’’ tiếp tục cho giãn n  tầng hạ áp ca
tuabin, quá trình 2b – 2a và sau đó hơi được đưa vào bình ngưng d để thực hiện quá
trình ngưng hơi hoàn toàn 2 – 3.
uăđim
 Hiệu suất nhiệt được nâng cao.
 Kích thước tuabin và bình ngưng giảm.
 Lò hơi nh gọn.
3.3.ăKtălun
 mỗi chu trình đều có những ưu và nhược điểm riêng, nếu chúng ta nắm bắt
được những đặc điểm, khai thác được ưu điểm, biết cách kết hợp và tận dụng nhiệt
một cách hợp lý thì ta sẽ nhận được một chu trình đem lại hiệu quả cao.