Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM





Báo cáo tóm tắt








TỔNG QUAN
HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ
NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN




Cơ quan thực hiện: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Hà Nội, 4/2011

Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 1 -



Nội dung



1. Mở đầu ................................................................................................................2
2. Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân ...........................3
3. Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor .....................................6
4. Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor ...................................................11
5. Lò nước nặng PHWR.......................................................................................14
6. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân.......................................................................16
7. Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến (advanced) .............................................20
8. Các loại lò VVER của Nga...............................................................................24
9. Kết luận.............................................................................................................30

Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 2 -
CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
1. Mở đầu
Theo số liệu mới nhất công bố tháng 1/2011 của Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế, hiện nay trên toàn cầu có 442 tổ máy điện hạt nhân đang vận
hành, lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 16% sản lượng điện toàn cầu; có
khoảng 65 tổ máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng.
Thứ t
ự các quốc gia có nhiều tổ máy điện hạt nhân nhất: Mỹ 104 tổ máy,

Pháp 58, Nhật Bản 54, Nga 32, Hàn Quốc 21, Ấn Độ 20, Anh 19, Canada 18,
Đức 17, Ukraine 15, Trung Quốc 13. Châu Á đang là khu vực có nhịp độ phát
triển điện hạt nhân cao nhất.
Để đáp ứng nhu cầu của thế kỷ 21, hiện nay nhiều loại lò thế hệ mới đang
được nghiên cứu phát triển. Chính phủ các nước có ngành công nghiệp hạt nhân
phát triển đang
đầu tư trên 2 tỷ US$ cho công tác này. Nhiều loại lò đang được
nghiên cứu thiết kế với mục tiêu tăng tính kinh tế, nâng cao độ an toàn và giải
quyết vấn đề bã thải hoạt độ cao sống dài ngày.
Các khoa học gia quốc tế đã khẳng định: ”dù đang phải đối mặt với nhiều
thách thức, nhưng công nghệ điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của
thế k
ỷ 21”.
Trong hoạch định chiến lược phát triển năng lượng và lựa chọn công nghệ
phát điện, mỗi khu vực, mỗi quốc gia, trong từng thời kỳ nhất định, đều phải đối
mặt với một loạt các vấn đề, không có một khuôn mẫu chung nào cho tất cả các
nước.
Việc cung cấp năng lượng, đặc biệt là điện năng, một cách đầy đủ
và tin
cậy không chỉ cần thiết cho sự phát triển kinh tế mà, như ngày càng được thấy rõ,
còn cần thiết cho sự ổn định chính trị và xã hội. Sự thiếu hụt năng lượng trầm
trọng, cả hiện tại lẫn trong tương lai, thường dẫn tới những bất ổn và mâu thuẫn
tiềm tàng trong mỗi quốc gia và giữa các quốc gia.
Bởi vậy, cung cấp năng lượng một cách an toàn, tin cậ
y và với chi phí hợp
lý là một yêu cầu kinh tế, chính trị và xã hội thiết yếu, và là một thách thức.
Hoạch định và đưa ra những quyết định về sản xuất năng lượng và điện năng, do
đó, là một trong những chức năng quan trọng nhất của các nhà hoạch định chính
sách.
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011

- 3 -
Báo cáo này giới thiệu những khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng
hạt nhân và những cải tién, những công nghệ lò thế hệ mới đang được triển khai
thực hiện trên thế giới.
2. Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân
2.1 Nguyên lý phản ứng phân hạch
Lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng
phân h
ạch dây chuyền. Sơ đồ đơn giản của nguyên lý này nêu trên hình 1.
Khi một nơtron bắn phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành hai hay
nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải phóng năng lượng ở dạng động năng,
bức xạ gamma và phát ra các nơtron tự do, các nơtron tự do này là tiếp tục bắn
phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền.


Nơtron nhiệt Nhiệt năng Nơtron nhanh

N N Nơtron nhiệt
N
Phân hạch Chất làm chậm

U 235 U 235 N Hấp
thụ
N

Hình 1. Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch

2.2 Cấu trúc cơ bản của lò và các vật liệu sử dụng
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
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 4 -
trong hình 2. Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng được
nêu trong bảng 1.

Thanh điều khiển

Vành phản xạ Nhiên liệu hạt nhân

Thùng lò Chất làm chậm

Chất tải nhiệt





Hình 2. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN


Bảng 1. Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng

TT Phần tử Vật liệu Chức năng
1 Nhiên liệu U
233
, U
235
, Pu
239

,
Pu
241

Chất phân hạch
2 Chất làm chậm H
2
O, D
2
O, C, Be Giảm năng lượng của nơtron
nhanh thành nơtron nhiệt
3 Chất tải nhiệt H
2
O, D
2
O, CO
2
, He,
Na
Tải nhiệt làm mát lò
4 Thanh điều khiển Cd, B, Hf Điều khiển mức tăng giảm nơtron
5 Vành phản xạ Như các chất làm
chậm
Giảm mất mát nơtron
6 Thùng lò Fe &S/S Chịu áp lực và chứa toàn bộ vùng
hoạt
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 5 -
7 Tường bảo vệ Bê tông, H
2

O, Fe, Pb Bảo vệ chống bực xạ
8 Các vật cấu trúc
khác
Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò

2.3 Phân loại các loại lò
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

SỐ
TT
LOẠI
LÒ
Tên gọi Nhiên liệu Chất làm
chậm
Chất tải
nhiệt
1
PWR
Lò nước áp lực Urani làm giầu
nhẹ 2-5%
H
2
O H
2
O
2
BWR
Lò nước sôi Urani làm giầu

nhẹ 2-5%
H
2
O H
2
O
3
WWER
Lò nước áp lực
(LX cũ)
Urani làm giầu
nhẹ 2-5%
H
2
O H
2
O
4
PHWR -
CANDU
Lò nước nặng
kênh áp lực
Urani tự nhiên
0,7%
D
2
O D
2
O H
2

O
5
GCR
Lò khí grafit Urani tự nhiên
0,7%
Grafit Khí He
6
LWGR
Lò nước grafit
kênh áp lực
Urani tự nhiên
giầu nhẹ
Grafit H
2
O
7
AGR
Lò khí grafit cải
tiến
Urani tự nhiên
0,7%
Grafit Khí He
8
FBR
Lò nhanh tái sinh Urani làm giầu
hoặc Plutoni
Không Na

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 nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 6 -
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 l
ượng 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.
3. 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
th
ế 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 chạ
y tuôc bin.
Hình 3. Sơ đồ công nghệ hai vòng tuần hoàn của lò PWR
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 7 -

Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 325
0
C, 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 tạ
i 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.
Hình 4. Sơ đồ thùng lò PWR
PWR là m
ột 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
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 8 -
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 s
ố của lò PWR công suất 1160 MWe
được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3. Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 MWe
Thông số cơ bản của lò PWR
Công suất nhiệt 3423 MWt
Công suất điện 1160 MWe
Đường kính phía trong thùng lò 4,394 m
Độ dày thùng lò 225 mm
Chiều cao thùng lò 12,9 m
Vật liêu thùng lò ASME SA-508 GrB class 3
Trọng lượng thùng lò 402 t
Đường kính vùng hoạt 3,37 m
Chiều cao/dài vùng hoạt 3,66 m
Độ giàu nhiên liệu 2,1 - 4,1%
Số bó nhiên liệu 193
Đường kính thanh nhiên liệu 9,5 mm
Chiều dài thanh nhiên liệu 3,65 m
Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,06 m
Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-4
Trọng lượng nhiên liệu 89 t
Mật độ công suất 105 KW/lít
Số bó/thanh điều khiển 53 bó
Áp suất trong lò 157 Kg/cm
2

Chất tải nhiệt H
2

O
Chất làm chậm nơtron H
2
O
Thông lượng chất tải nhiệt qua lò 60.10
3
t/h
Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò 289/325
0
C
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 9 -
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 s
ố 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 UO
2
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.













Hình 5. Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 10
-
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. Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)
Trong thiết bị sinh hơi, để truyền được nhiệt từ vòng một sang vòng hai
cần phải có chênh lệch nhiệt độ giữa n
ước 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 thu
ận 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 d
ừng 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
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011
- 11
-
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.
4. 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 că
n 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 tiế
p).
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.


Hình 7. Sơ đồ công nghệ một vòng tuần hoàn với lò nước sôi - BWR
BWR cũng là một loại lò với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm
chậm và có thùng lò chịu áp lực. Tuy nhiên, khác với lò PWR, trong lò BWR có
sự sôi thể tích ngay trong lò.
Thùng lò BWR có hình thức gần giống như lò PWR nhưng có các thông
số khác hơn. Vùng hoạt lò BWR tương tự như lò PWR không đồng nhất và được