công nghệ lò phản ứng hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ



CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ CÔNG NGHỆ

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Lê Văn Nhạn

Lê Thị Bé Thơ
Mã số SV: 1110277
Lớp: Sư phạm Vật lý - công nghệ
Khóa: 37

Cần Thơ, 2015


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả thầy cô trong khoa Sư Phạm Trường Đại

học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm hết sức qúy báu để tôi cũng
như các bạn sinh viên hoàn thành khóa học của mình.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Nhạn – cán bộ hướng dẫn đã tận
tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài luận văn này.
Xin gửi lời cám ơn đến tất cả các bạn lớp sư phạm Vật Lí – Công Nghệ khóa 37,
nhất là các bạn làm luận văn đợt này đã luôn sát cánh bên tôi để cùng nhau vượt qua khó
khăn, trở ngại trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này.
Cuối cùng con xin ghi lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình, những người đã
luôn yêu thương và cho con niềm tin, động lực để con vững bước vượt qua mọi khó khăn
trong quá trình học tập và đến khi hoàn tất luận văn này.
Kính chúc tất cả sức khỏe, thành công và hạnh phúc trong cuộc sống.

Cần Thơ, ngày 16 tháng 5 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Bé Thơ

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

i

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn

Cần Thơ, ngày tháng
Tác giả

năm 2015

Lê Thị Bé Thơ

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

ii

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

MỤC LỤC
Trang
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................................... 1
3. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 1

4. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................ 2
5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ....................... 2
6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ......................................................................... 3
7. CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI .......................................... 3
PHẦN NỘI DUNG ...................................................................................................... 4
Chương 1. VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
HẠT NHÂN ................................................................................................................ 4
1.1. Nhà máy điện hạt nhân .......................................................................................... 4
1.1.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân......................................................... 4
1.1.2. Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân ...................................................... 6
1.1.2.1. Cấu trúc ......................................................................................................... 6
1.1.2.2. Vận hành nhà máy điện hạt nhân ................................................................... 6
1.2 Công nghệ lò phản ứng hạt nhân ............................................................................ 6
1.3. Tình hình ứng dụng công nghệ điện hạt nhân trên thế giới .................................... 8
Chương 2. NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN ........................................... 12
2.1. Các chế độ phát nóng của khí cụ điện .................................................................. 12
2.2. Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân .................................................................. 12
2.3. Điều kiện phân hạch ............................................................................................ 13
2.4. Các sản phẩm phân hạch ..................................................................................... 14
2.5. Các neutron của phản ứng phân hạch .................................................................. 16
2.6. Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền. ........................ 17
2.6.1. Phản ứng dây chuyền. ...................................................................................... 17
2.6.2. Phản ứng dây chuyền do neutron gây ra. .......................................................... 17
2.6.3. Các neutron chậm. ............................................................................................ 18
2.6.4. Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền. ........................................................... 18
2.6.5. Điều khiển phản ứng dây chuyền. ..................................................................... 19
SVTH: Lê Thị Bé Thơ
iii
SP Vật Lý – Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Chương 3. CÁC THẾ HỆ LÒ PHẢN ỨNG ............................................................... 21
3.1. Thế hệ I ………………….. ................................................................................. 21
3.2. Thế hệ II………….. ............................................................................................ 22
3.3. Thế hệ III……..................................................................................................... 22
3.4. Thế hệ IV.. .......................................................................................................... 23
3.5. Đặc trưng an toàn qua các thế hệ ......................................................................... 23
Chương 4.NHỮNG CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THÔNG DỤNG . 25
4.1. Công nghệ PWR – lò phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor) ........... 25
4.1.1. Lịch sử phát triển của PWR .............................................................................. 25
4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động........................................................................ 26
4.1.2.1. Cấu tạo ........................................................................................................ 26
4.1.2.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 29
4.1.3. Ưu và nhược điểm của công nghệ PWR ........................................................... 31
4.1.3.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 31
4.1.3.2 Khuyết điểm ................................................................................................. 31
4.2. Công nghệ BWR – lò phản ứng nước sôi ( Boiling Water Reactor ) .................... 32
4.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động........................................................................ 32
4.2.2. Ưu và nhược điểm của công nghệ BWR ........................................................... 36
4.2.2.1. Ưu điểm ...................................................................................................... 36
4.2.2.2. Nhược điểm................................................................................................. 37
4.3. Công nghệ lò nước nặng kiểu CANDU ............................................................... 37
4.4. Kết luận…………… ............................................................................................. 39
Chương 5. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THẾ HỆ MỚI... 40
5.1. Lò phản ứng hạt nhân cải tiến công nghệ Hàn Quốc - Apr1400 ........................... 40
5.1.1. Về kinh tế. ........................................................................................................ 40

5.1.2. Hiện trạng công nghệ APR1400 ....................................................................... 40
5.1.3. Đặc tính an toàn chủ yếu của công nghệ APR1400 ........................................... 40
5.2. Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) .................................. 42
5.3. Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR) ........ 43
5.4. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR) ........................................ 44
5.5. Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse. ............................ 46
5.6. Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR ................................................ 47
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

iv

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Chương 6. MỘT SỐ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ VỀ
CÔNG NGHỆ ........................................................................................................... 49
6.1 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ......................................................... 49
6.2. Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Mile Island ...................................................... 52
6.3. Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I của Nhật Bản............................... 54
6.3.1. Vụ tai nạn......................................................................................................... 55
6.3.2. Nguyên nhân của vụ tai nạn.............................................................................. 56
Chương 7. CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM- NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN ........................................................................... 58
7.1. Dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận........................................................... 58
7.2. Công nghệ VVER của Nga .................................................................................. 59
7.2.1. Các thế hệ lò VVER cũ .................................................................................. 59

7.2.2. Các thế hệ VVER cải tiến ................................................................................. 59
PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 63

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

v

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 . Một số loại lò phản ứng phổ biến
Bảng 1.2 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo quốc gia.
Bảng 1.3 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo loại công nghệ
Bảng 2.1. Số trung bình các neutron phân hạch k
Bảng 3.1. Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ công nghệ lò.
Bảng 4.1. Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 Mwe
Bảng 4.2. Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MWe
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 . Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân
Hình 2.2. Sự phụ thuộc số mảnh vỡ phân hạch trên 1 phân hạch U235 bởi neutron nhiệt.
Hình 2.3. Phổ neutron tức thời khi phân hạch U235 bởi neutron nhiệt.
Hình 2.4. Phản ứng phân hạch dây chuyền của 235U
Hình 3.1. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Hình 4.1. Sơ đồ thùng lò PWR
Hình 4.2. Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga
Hình 4.3. Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)
Hình 4.4. Sơ đồ công nghệ hai vòng tuần hoàn của lò PWR.
Hình 4.5. Thùng lò nước sôi – BWR
Hình 4.6. Các bó nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR
Hình 4.7. Sơ đồ công nghệ một vòng tuần hoàn với lò nước sôi – BWR.
Hình 4.8. Bundle (cuộn nhiên liệu)
Hình 4.9. Mô hình hệ thống lò CANDU
Hình 5.1. Hệ thống an toàn của APR1400 (Nguồn: internet)
Hình 5.2. Lò phản ứng hạt nhân ở Mỹ
Hình 5.3. Lò phản ứng muối nóng chảy
Hình 5.4. Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri
Hình 5.5. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn
Hình 5.6. Lò phản ứng nhiệt độ rất cao
Hình 5.7. Thiết kế nhà lò AP1000
Hình 5.8. Bố trí NMĐHN dùng lò EPR
Hình 6.1. Hiện trường vụ tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986
Hình 6.2. Chernobyl sau thảm họa.
Hình 6.3. Tai nạn nhà máy Three Mile Island
Hình 6.4. Nhà máy điện hạt nhân Fukushima I bốc cháy
Hình 7.1. Thùng lò VVER-1000 loại AES-91.
Hình 7.2. Hệ cung cấp hơi của NMĐHN với lò VVER.
Hình 7.3. Thanh nhiên liệu của lò VVE
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

vi

SP Vật Lý – Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhà máy điện hạt nhân (hay còn gọi là nhà máy điện nguyên tử) là một phát minh
vĩ đại của loài người. Nó đã góp phần giúp cho con người giải quyết bài toán về nhu cầu
năng lượng.
Điện lần đầu tiên được sản xuất bằng năng lượng hạt nhân vào ngày 20/12/1951
tại lò thử nghiệm EBR-1 của Mỹ và thắp sáng được bốn bóng đèn. Tổ máy điện hạt nhân
đầu tiên là lò graphit nước nhẹ 5MW(e) tại Obninsk của Nga, bắt đầu hoạt động năm
1954 và ngừng hoạt động ngày 30/4/2002. Calder Hall tại Anh là nhà máy điện hạt nhân
quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới bắt đầu vận hành năm 1956 và đóng cửa tháng
3/2003. Phát triển điện hạt nhân chủ yếu nhằm mục tiêu phát triển khoa học, công nghệ
và xây dựng tiềm lực hạt nhân bảo đảm an ninh quốc gia.
Ngành điện hạt nhân ngày nay phát triển với một tốc độ nhanh chóng. Ngày càng
có nhiều công nghệ lò phản ứng hạt nhân ra đời. Các cải tiến về công nghệ đã nâng cao
hơn độ an toàn của các nhà máy điện hạt nhân và làm tăng niềm tin của dân chúng vào
nhà máy điện hạt nhân. Nó mang đến cho chúng ta nhiều sự lụa chọn cho chính sách phát
triển điện hạt nhân ở mỗi quốc gia.
Tháng 11/ 2009, quốc hội nước ta đã biểu quyết thông qua chủ trương đầu tư dự
án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận. Đây là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở
Việt Nam. Vấn đề được quan tâm nhất hiện nay là an toàn và công nghệ cho nhà máy
điện hạt nhân Ninh Thuận.
Thông qua bài nghiên cứu này, tôi mong muốn sẽ cung cấp một tài liệu bổ ích có
tính khoa học về vấn đề công nghệ lò phản ứng hạt nhân nói chung và công nghệ lò phản
ứng sẽ được triển khai ở Việt Nam nói riêng.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
- Tìm hiểu các thế hệ lò phản ứng.
- Những công nghệ lò phản ứng hạt nhân. Ưu và nhược điểm của các lò.
- Tình hình công nghệ lò phản ứng hạt nhân ở Việt Nam.
3. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Để hiểu rõ vấn đề công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân, đầu
tiên ta đi vào nghiên cứu tổng quát về loại công nghê này và tình hình phát triển của nó
trên thế giới hiện nay.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

1

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Vậy công nghệ điên hạt nhân này ứng dụng của kiến thức vật lý nào? Điều này sẽ
được giới thiệu trong mục “năng lượng phân hạch hạt nhân”
Theo xu thế phát triển điện hạt nhân thì ngày càng có nhiều công nghệ lò phản ứng ra
đời nhằm thỏa mãn điều kiện kinh tế, địa lý của từng địa phương. Các công nghệ này ra
đời ở thời điểm khác nhau và có đặc điểm riêng cho từng giai đoạn. Dựa vào những đặc
điểm trên người ta phân chia ra thành từng thế hệ lò phản ứng khác nhau.
Trên thế giới có nhiều công nghệ lò phản ứng hạt nhân. Nhưng nhìn chung, có bốn công
nghệ được các quốc gia sử dụng nhiều nhất: Công nghệ lò phản ứng nước áp lực
(PWR),công nghệ lò phản ứng nước sôi (BWR),công nghệ lò nước nặng PHWR, công
nghệ lò nước nặng kiểu CANDU. Ngoài ra trong phần IV này còn giới thiệu một số công
nghệ lò phản ứng hiệu quả khác. Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và

đề xuất một số công nghệ tiên tiến có thể ứng dụng trong tương lai.
Công nghệ điện hạt nhân là một ngành khoa học kỹ thuật tiên tiến. Tuy nhiên vẫn
không tránh khỏi những tai nạn đáng tiếc do lỗi kỹ thuật trong khâu thiết kế. Phần VI sẽ
tổng hợp lại một số vụ tai nạn kiểu này.
Việt Nam là một trong những nước có tốc độ phát triển kinh tế khá cao. Nhu cầu
về năng lương của nước ta ngày một nhiều. Dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh
Thuận gần đây thu hút nhiều sự quan tâm của người dân trong nước cũng như quốc tế.
Vậy công nghệ nào đã được lựa chọn cho điện hạt nhân ở Việt Nam? Vấn đề này sẽ được
nghiên cứu trong phần VII: Công nghệ lò phản ứng hạt nhân ở Việt Nam – Nhà máy điện
hạt nhân Ninh Thuận

4. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Do không có điều kiện tham quan trực tiếp nhà máy điện hạt nhân nên tôi chỉ tìm
hiểu nhà máy điện hạt nhân thông qua các tài liệu tham khảo và trên Internet.
- Tôi chỉ giới thiệu một số tai nạn hạt nhân liên quan đến khâu thiết kế của nhà
máy.

5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
5.1. Phương pháp thực hiện đề tài
Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương
pháp sau: nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
5.2 Phương tiện thực hiện đề tài

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

2

SP Vật Lý – Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

- Tài liệu tham khảo: sách, báo, bài giảng, khai thác thông tin trên Internet.
- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn.

6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
- Bước 2: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy
cô, bạn bè.
- Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng
dẫn.
- Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện; tham khảo ý
kiến và chỉnh sửa.
- Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh.
- Bước 6: Báo cáo luận văn.

7. CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI
- IAEA ( International Atomic Energy Agency): Cơ quan năng lượng nguyên tử
quốc tế.
- VAEC (Vietnam Atomic Energy Commission): Viện năng lượng nguyên tử Việt
Nam.
- EAEC (European Atomic Energy Community): Ủy ban năng lượng nguyên tử
Châu Âu.
- BWR (Boiling Water Reactor): Lò nước sôi.
- PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất
truyền nhiệt.
- PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor): Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng
làm chất dẫn nhiệt và chất làm chậm.

- NMĐHN: nhà máy điện hạt nhân.
- ĐHN: Điện hạt nhân.
- LPƯ: lò phản ứng.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

3

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Phần NỘI DUNG
Chương 1. VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ
MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
1.1. Nhà máy điện hạt nhân
1.1.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân
Nguyên tắc quan trọng trước hết là không để xảy ra tai nạn. Để làm được điều
này, điều chủ yếu là phòng chống tới mức tối đa những rủi ro có khả năng gây tai nạn
như hỏng hóc hoặc hư hại thiết bị, máy móc.
Thiết kế đầy đủ, chính xác, thực hiện công tác quản lý chất lượng nghiêm ngặt và
kiểm tra theo dõi thường xuyên để đề phòng phát sinh những bất thường và sai sót, hỏng
hóc. Ở nhà máy điện hạt nhân, khi vận hành bình thường thì hầu như không cần những
thao tác trực tiếp của nhân viên, tình trạng các bộ phận của lò phản ứng được tổng hợp và
hiển thị ở phòng điều khiển trung tâm để các nhân viên vận hành có thể thường xuyên
đánh giá tình trạng hoạt động của lò một cách chính xác. Hơn nữa để tránh những thao
tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an toàn, lò phản ứng được thiết kế với hệ
thống an toàn hai lần , hệ thống khóa liên động.

Hệ thống an toàn hai lần là hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên tắc nếu một bộ
phận của hệ thống gặp hỏng hóc thì lập tức chuyển sang trạng thái an toàn.
Hệ thống khóa liên động là hệ thống được thiết kế để phòng chống trục trặc, sự cố
phát sinh do thao tác nhầm lẫn, ví dụ như nhân viên vận hành nhầm lẫn định rút thanh
điều khiển ra thì cũng không thể rút được.
Điều quan trọng tiếp theo là nếu phát sinh trục trặc bất thường thì cũng không để
sự cố lan rộng. Người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:
a. Phát hiện sớm những bất thường
Ở nhà máy điện hạt nhân để có thể phát hiện và kiểm tra được những bất thường
như trường hợp phát sinh rò rỉ từ hệ thống ống dẫn ngay khi mới phát sinh và ở mức độ
nhỏ, người ta lắp đặt các thiết bị kiểm tra giám sát tự động và khi cần thiết sẽ áp dụng
những biện pháp thích hợp như ngừng lò phản ứng.
b. Có thể ngừng lò khẩn cấp
Khi phát hiện thấy có bất thường như áp lực trong lò phản ứng đột ngột tăng cao
cần áp dụng biện pháp khẩn cấp, người ta lắp đặt các thiết bị phát hiện và thiết bị ngừng
SVTH: Lê Thị Bé Thơ
4
SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

lò khẩn cấp để có thể cùng một lúc cho các thanh điều khiển vào lò phản ứng và ngừng tự
động lò phản ứng. Các thiết bị quan trọng đó có đầy đủ độ tin cậy, nhiều tầng và độc lập.
Công phu tới mức lắp đặt cả thiết bị mà trong trường hợp hy hữu thanh điều khiển không
hoạt động thì ngay lập tức một lượng lớn dung dịch axit boric có khả năng hấp thụ
neutron sẽ được rót vào để ngừng lò phản ứng.
c. Phòng chống rò rỉ chất phóng xạ

- Do có nhiều chất phóng xạ nguy hiểm ở trong lò nên lò phản ứng hạt nhân được
thiết kế rất công phu nhằm đảm bảo các chất nguy hiểm đó sẽ bị giữ bên trong thiết bị,
bên trong nhà máy và không thoát ra được bên ngoài nếu xảy ra tai nạn.
- Để đề phòng khả năng tai nạn như nước tải nhiệt sơ cấp bị tổn thất, mất mát thì
người ta lắp đặt hệ thống thiết bị làm lạnh tâm lò phản ứng khẩn cấp (ECCS –
Emergency Core Cooling System) và thùng chứa lò phản ứng (Reactor Containment
Vessel). Khi sự cố xảy ra, cùng với việc xả nước làm nguội lò phản ứng thì hệ thống
phun hơi của thùng chứa lò sẽ làm lạnh và hóa lỏng hơi nước thoát ra thùng chứa lò, làm
giảm áp lực trong thùng lò và giảm thiểu nhanh chóng chất phóng xạ ở dạng khí.
- Lượng khí còn lại sẽ nhờ hệ thống lọc khẩn cấp làm giảm chất phóng xạ. Dù
trường hợp thế nào chăng nữa thì về cơ bản, các chất phóng xạ cũng được nhốt chặt bên
trong thùng chứa lò phản ứng để không thoát ra bên ngoài.
Hạn chế hiện nay trong việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân có thể do bốn vấn đề sau
đây:
- Chi phí: Nhà máy điện hạt nhân có chi phí lớn trong suốt thời gian hoạt động.
- Độ an toàn: Nhà máy điện hạt nhân được cho là không an toàn, ảnh hưởng đến
môi trường và sức khỏe của con người, điển hình là vào năm 1979 ở Three Mile Island,
năm 1986 ở Chernobyl và năm 2011 ở Fukushima I đã xảy ra sự cố ở lò phản ứng hạt
nhân.
- Sự phát triển: Công nghệ hạt nhân phát triển làm cho con người có thể sử dụng
sức mạnh của nó sai mục đích nhằm đạt được các mục đích kinh tế, thương mại hoặc chế
tạo những vũ khí hạt nhân làm ảnh hưởng đến tình hình chính trị và sự an toàn của con
người.
- Chất thải phóng xạ: Nhà máy điện hạt nhân cần được quản lý một cách chặt chẽ
về chất thải phóng xạ trong một thời gian dài, bảo quản tối đa trong khu vực nhà máy để
có thể bảo quản một cách an toàn do đó cần phải tính toán tỉ mỉ lượng chất thải phóng xạ
sinh ra trong thời gian vận hành để lựa chọn địa điểm đủ rộng cho cất giữ phóng xạ.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

5

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

1.1.2. Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân
1.1.2.1. Cấu trúc
Nhà máy điện hạt nhân bao gồm 4 phần chính:
-

Trung tâm lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân.

-

Máy phát điện chạy bằng hơi nước.

-

Tuabin, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.

-

Bộ phận ngưng tụ làm lạnh hơi nước, chuyển nó lại thành pha lỏng.

1.1.2.2. Vận hành nhà máy điện hạt nhân
Thiết bị quan trọng nhất là trung tâm lò phản ứng hạt nhân. Sau vùng hoạt - nơi diễn
ra các phản ứng hạt nhân và tạo ra nhiệt năng, đóng vai trò quan trọng tiếp theo là thiết bị

trao đổi nhiệt để sinh hơi đưa vào tuabin để tạo ra điện năng. Qua thiết bị trao đổi nhiệt
giữa chất tải nhiệt từ tâm lò phản ứng và hệ thống nước tuần hoàn ở vòng ngoài (còn
được gọi là nước tuần hoàn vòng hai), nước ở đây nhận được nhiệt do nước (hay chất làm
chậm) ở vòng 1 truyền cho biến thành hơi nước có áp lực cao được đưa vào tuabin làm
quay tuabin của máy phát điện. Sau khi qua tuabin hơi nước được ngưng tụ được đưa 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 ở vòng 1 và vòng 2 người ta phải dùng một hệ thống bơm cưỡng bức.
Ngoài ra còn phải thiết kế một hệ thống điện cho nhà máy điện hạt nhân phục vụ cho việc
vận hành lò phản ứng: chạy hệ thống bơm, các hệ thống điều khiển lò. Mọi thông số vật
lý và kỹ thuật trong hoạt động của lò đều được thông báo và hiện số lên các đồng hồ đo
để người điều khiển lò (điều khiển nhà máy điện hạt nhân) biết được tình trạng làm việc
của nhà máy. Nhà máy điện hạt nhân còn phải có các hệ thống thiết bị an toàn (an toàn lò
phản ứng, an toàn nhà máy điện hạt nhân) mới đảm bảo cho nhà máy hoạt động an toàn
và có hiệu quả. Còn phải có các thiết bị kiểm soát độ nhiễm xạ thoát ra trong môi trường
ngoài để có các biện pháp xử lý và ngăn chặn. Sau một thời gian hoạt động, nhiên liệu bị
cháy dần nên còn phải nghiên cứu việc thay thanh nhiên liệu sao cho tối ưu về mặt sản
xuất năng lượng. Trong quá trình phát triển điện hạt nhân, vấn đề an toàn và công nghệ
luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng, mang tính quyết định đối với sự thành công của
chương trình điện hạt nhân.

1.2 Công nghệ lò phản ứng hạt nhân
Công nghệ lò phản ứng là yếu tố đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao công
suất và đảm bảo an toàn cho việc vận hành nhà máy điện hạt nhân.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

6

SP Vật Lý – Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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.

Bảng 1.1 . Một số loại lò phản ứng phổ biến
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. Các lò đang vận hành trên thế
giới chủ yếu thuộc loại thế hệ thứ II. Một số nước đã xây dựng hoặc đang có kế hoạch
thay thế các lò hết hạn sử dụng bằng loại lò thế hệ thứ III (độ an toàn được nâng cao, thiết
kế gọn hơn, công nghệ xử lý tín hiệu số được đưa vào hệ điều khiển) và đang tập trung
nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ IV với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất
thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân). Việc
SVTH: Lê Thị Bé Thơ
7
SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

nghiên cứu phát triển công nghệ NMĐHN được tập trung theo 4 hướng sau với đầu tư
nghiên cứu trung bình toàn thế giới khoảng 2 tỷ USD /năm:
- Hoàn thiện công nghệ các NMĐHN hiện hành. Các lò nước nhẹ công suất lớn
đang được thiết kế nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn và từng bước áp
dụng nguyên lý an toàn thụ động.
- Nghiên cứu phát triển các lò có công suất nhỏ và trung bình.
- Phát triển các thiết kế mới kiểu ghép nối các mô - đun độc lập theo hướng sử
dụng chất tải nhiệt là khí nhiệt độ cao và dùng hơi quá nhiệt để quay tuốc - bin, áp dụng
triệt để nguyên lý an toàn thụ động.
- Phát triển những loại lò thế hệ mới có nhiều ưu điểm vượt trội để đáp ứng các
mục tiêu: an toàn hơn, kinh tế hơn, ít chất thải phóng xạ hơn và giảm nguy cơ phổ biến
vũ khí hạt nhân.
Mặc dù có nhiều công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân nhưng
chúng hoạt động đều dựa trên nguyên tắc vật lý là phản ứng phân hạch hạt nhân.

1.3. Tình hình ứng dụng công nghệ điện hạt nhân trên thế giới
Theo Cơ quan năng lượng nguyên tử thế giới IAEA, tính đến ngày 26/02/2012,
trên thế giới có 437 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả 6 lò phản ứng của
Đài Loan - Trung Quốc).
Theo loại lò:
Tổng công suất thuần
Loại lò

Số lượng
(MW)

BWR

84

77664

FBR

2

580

GCR

17

8732

LWGR

15

10219

PHWR

47

23160

PWR

272

249990

Tổng

437

370345

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

8

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Theo quốc gia:
Quốc gia

Số lượng

Tổng công suất thuần
(MW)

Argentina

2

923

Armenia

1

375

Bỉ

7

5927

Brazil

2

1884

Bulgaria

2

1906

Canada

18

12624

Trung Quốc

16

11688

CH Séc

6

3766

Phần Lan

4

2736

Pháp

58

63130

Đức

9

12068

Hungary

4

1889

Ấn Độ

20

4391

Iran

1

915

Nhật Bản

50

44215

Hàn Quốc

23

20671

Mexico

2

1300

Hà Lan

1

482

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

9

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Pakistan

3

725

Romania

2

1300

Liên bang Nga

33

23643

Slovakia

4

1816

Slovenia

1

688

Nam Phi

2

1830

Tây Ban Nha

8

7567

Thụy Điển

10

9326

Thụy Sỹ

5

3263

Ukraina

15

13107

Vương quốc Anh

18

9920

Hoa Kỳ

104

101240

Tổng

437

370345

Số lượng

Tổng công suất thuần

Số lò phản ứng dừng dài hạn:
Quốc gia

(MW)
Canada

4

2726

Nhật

1

246

Bảng 1.2 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo quốc gia.

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

10

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Số lò dừng dài hạn:
Tổng công suất thuần
Loại lò

Số lượng
(MW)

FBR

1

246

PHWR

4

2726

Tổng

5

2972

Bảng 1.3 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo loại công nghệ

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

11

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Chương 2. NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN
2.1. Khái niệm phản ứng phân hạch

- Là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một neutron chậm thành hai hạt
nhân trung bình đồng thời phóng ra một số neutron và tỏa ra năng lượng rất lớn ( khoảng
200MeV)
- Phần lớn năng lượng tỏa ra dưới dạng động năng của các hạt

2.2. Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân
Cơ chế phản ứng phân hạch được mô tả bởi mẫu giọt, trong đó hạt nhân được xem
như là một giọt chất lỏng mang điện tích dương. Giọt chất lỏng này tồn tại do cân bằng
lực giữa lực đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng bề mặt. Khi
neutron tương tác với hạt nhân, trong hạt nhân xuất hiện sự biến dạng dao động từ dạng
hình cầu sang dạng có hai phần dạng quả lê nối với nhau. Quá trình dao động kết thúc
bằng sự phân hạch hạt nhân, tức là chỗ nối bị đứt. Điều kiện phân hạch là năng lượng
kích thích E* vượt quá năng lượng ngưỡng Eng, tức là độ cao bờ thế năng phân hạch. Bờ
thế năng này xuất hiện do sự tăng thế năng trong pha đầu biến dạng, khi đó bề mặt tăng
và sức căng bề mặt tăng. Sức căng này có xu hướng bảo toàn dạng hình cầu của hạt nhân,
là dạng có thế năng cực tiểu.

Hình 2.1 . Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân
Quá trình phân hạch về mặt năng lượng có thể xảy ra đối với các hạt nhân có số
khối lớn hơn 80. Tuy nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

12

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

nặng từ 90Th232 đến 94Pu242 . Động năng neutron, năng lượng liên kết của hạt nhân và độ
cao bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch của các hạt nhân cụ thể. Các hạt
nhân Th232, U233, U235, U238, và Pu239 thường được sử dụng trong lò phản ứng. Khi hấp
thụ neutron, các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th233, U234, U236, U239 và
Pu240 với năng lượng kích thích tối thiểu bằng năng lượng liên kết của neutron trong các
hạt nhân đó. Nếu năng lượng kích thích này lớn hơn năng lượng ngưỡng Eng thì hạt nhân
xuất phát có thể bị phân hạch khi hấp thụ neutron với năng lượng bất kỳ. Còn nếu năng
lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng ngưỡng Eng thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi
động năng neutron phải đủ lớn để cho năng lượng kích thích vượt quá Eng.

2.3. Điều kiện phân hạch
Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai
hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm 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 các neutron riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động
nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây
ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ thành các mảnh nhỏ.
Năng lượng kích hoạt với từng hạt nhân phụ thuộc vào tỷ số (Z2/A) theo hệ thức:
2
3





W  0,18.A 5,2  0,117( Z 2 / A) MeV

(1)
2

Trong đó Z là điện tích, A là số khối của hạt nhân bị phân hạch. Khi (Z /A) khá
lớn (vẫn thỏa mãn 5,2 > 0,117(Z2/A)) thì năng lượng kích hoạt rất nhỏ. Do đó các hạt
nhân nặng có thể phân hạch không những do hấp thụ năng lượng của neutron mà còn có
thể phân rã một cách tự phát.
Thực nghiệm cho thấy, các hạt nhân 235U , 239Pu có thể vỡ khi hấp thụ neutron có
năng lượng nhỏ (0,001 đến 0,1 eV). Còn các hạt nhân 238U và 232Th bị vỡ khi khi hấp thụ
neutron có năng lượng lớn hơn 1,0 MeV.
Giải thích hiện tượng: Khi hấp thụ neutron, hạt nhân biến thành hạt nhân mới ở
trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng cơ bản. Năng lượng
kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mới.
Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì phản ứng phân hạch diễn ra,
còn nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì hạt nhân trở lại trạng
thái ban đầu và phát ra các tia γ.
Với 238U năng lượng kích hoạt W = 7 MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi
hấp thụ neutron được tính bằng:
E = Δmc2 = (M238 + n – M238) c2 ≈ 6 Mev
SVTH: Lê Thị Bé Thơ
13

(2)
SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Nghĩa là năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt. Vì vậy hạt nhân
chỉ bị vỡ khi hạt neutron có động năng lớn hơn 1MeV.

Đối với 235U, năng lượng kích hoạt W = 6,6 MeV, nhưng năng lượng kích thích
sau khi hấp thụ neutron:
E = Δmc2 = (M235 + n – M236) c2 ≈ 6,8 MeV

(3)

Như vậy năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt, vì vậy neutron có
năng lượng nhỏ 0,001 – 0,1 eV cũng đủ khả năng làm phá vỡ hạt nhân 235U.
Năng lượng khi vỡ hạt nhân: Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh
vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với
độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.
235
92

1
U +0n 

A1
Z1

X +

A2
Z 2

1

Y + k 0 n +E

( k= 2 – 3)

(4)

Hai mảnh X, Y là những hạt nhân khác nhau tùy theo điều kiện của phản ứng, xác
suất xuất hiện hai hạt nhân X, Y phụ thuộc vào số khối A của chúng, thường là các hạt
nhân có số khối trung bình trong bảng tuần hoàn Mendeleev.
E ≈ 200 MeV được gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân urani. Điều này có
nghĩa là 1 kg 235U khi xảy ra phản ứng phân hạch, tỏa ra một năng lượng tương đương
với 2000 tấn xăng, hoặc khoảng 26000 tấn than đá.

2.4. Các sản phẩm phân hạch
Xét quá trình phân hạch U235 do các neutron nhiệt. Quá trình này không xảy ra
theo một sơ đồ cố định nào mà có nhiều kênh phản ứng, mỗi kênh được đặc trưng bởi các
mảnh vỡ phân hạch. Trên hình 2 trình bày số mảnh vỡ sinh ra, gọi là suất ra, đối với mỗi
phân hạch phụ thuộc vào số khối lượng các mảnh vỡ phân hạch đó. Các mảnh vỡ phân
hạch có số khối A= 72161, trong đó có hai nhóm số khối cỡ 80110 và 125155 có
suất ra lớn nhất, chiếm cỡ 90%. Các hạt nhân có số khối 110125 chỉ chiếm cỡ 1%. Như
vậy hạt nhân U235 bị phân hạch cho hai mảnh vỡ với khối lượng không bằng nhau, suất ra
lớn nhất đối với hai mảnh vỡ A= 95 và A= 139. Sự phân hạch không đối xứng này mâu
thuẫn với tiên đoán của mẫu giọt vì một chất lỏng thông thường được chia thành hai phần
bằng nhau. Tính chất không đối xứng trong phân hạch hạt nhân được giải thích trong
khuôn khổ mẫu vỏ do sự ưu tiên hình thành các hạt nhân với vỏ choán đầy chứa 50 và 82
neutron.

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

14

SP Vật Lý – Công Nghệ

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Hình 2.2. Sự phụ thuộc của số mảnh vỡ phân hạch trên một phân hạch U235 bởi neutron
nhiệt.
Các mảnh vỡ phân hạch thường có đặc tính β- vì chúng thừa neutron.
Thành phần các sản phẩm phân hạch theo các nguyên tố hóa học thay đổi do phân
rã β . Chẳng hạn, một dãy các phân rã liên tiếp nhau như:
Xe140 16

 Co140 66


 Ba140 12

 La 140 40

 Ce 140
sec
sec
,8 d
,2 h

(bền)

Nếu quá trình phân hạch kéo dài đủ lâu với tốc độ không đổi thì trong phần lớn
các dãy phân rã tạo nên sự cân bằng và thành phần hóa học của các sản phẩm phân hạch
cuối cùng sẽ không đổi. Trong trạng thái cân bằng, một phần tư các sản phẩm là các

nguyên tố đất hiếm. Trong các nguyên tố khác thì zirconium chiếm 15%, molybdenum
chiếm 12%, cesium chiếm 6,5 %. Các khí xenon và krypton chiếm 16%. Thể tích các khí
này khi phân hạch 1kg uranium trong khoảng thời gian dài (cỡ 4 năm) đạt tới hơn 25m3 ở
điều kiện bình thường .
Ngoài các mảnh vỡ phân hạch, khi phân hạch hạt nhân còn có các lượng tử γ tức
thời, các hạt β do phân rã, các lượng tử γ do phân rã, các neutrino và neutron.

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

15

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Đặc điểm của phản ứng phân hạch U235 là giải phóng ra năng lượng Er= 200 MeV
trên một phân hạch (hình 1). Năng lượng này phân bố theo các sản phẩm phân hạch như
sau:
Động năng các mảnh vỡ phân hạch:
Năng lượng:

.

169MeV

Các γ tức thời

5MeV

Các neutron phân hạch

5MeV

Các β do phân rã

7MeV

Các γ do phân rã

7MeV

Các neutrino

11MeV

Ngoài các thành phần năng lượng nêu trên còn có năng lượng bức xạ γ. Vậy năng
lượng tổng cộng khoảng 211MeV.

2.5. Các neutron của phản ứng phân hạch
Một đặc điểm khác của phản ứng phân hạch hạt nhân U235 là trong số các sản
phẩm phân hạch có các neutron. Các neutron sinh ra do phân hạch là đối tượng đáng chú
ý nhất vì chúng đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền. Trong mỗi phân
hạch trung bình xuất hiện k neutron (k là số trung bình các neutron phân hạch). Đại lượng
này khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau và tăng khi tăng năng lượng neutron vào:

Hạt nhân

En= 0,025 eV

En= 1,8 eV

U233

2,52

2,71

U235

2,41

2,74

U238

--

2,70

Pu239

2,92

3,21

Bảng 2.1. Số trung bình các neutron phân hạch k
Các neutron phân hạch gồm hai loại: neutron tức thời (khoảng 99%) sinh ra tại

thời điểm phân hạch và neutron trễ (khoảng 1%) sinh ra muộn hơn so với thời điểm phân
hạch.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ

16

SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Hình 2.3. Phổ neutron tức thời khi phân hạch U235 bởi neutron nhiệt.
Các neutron trễ chỉ chiếm không quá 1% trong số các neutron phân hạch nhưng
đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển phản ứng dây chuyền.

2.6. Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền.
2.6.1. Phản ứng dây chuyền.
Phản ứng dây chuyền là phản ứng xảy ra trong một hệ mà trong đó các hạt sau khi
gây ra phản ứng lại xuất hiện trong kết quả của phản ứng, do đó hạt mới vừa xuất hiện
sau một thời gian nào đó lại có thể gây ra phản ứng khác giống như phản ứng trước và vì
vậy phản ứng do các hạt ban đầu gây ra sẽ được tiếp diễn mãi.
Ta chỉ quan tâm tới các phản ứng dây chuyền sinh nhiệt.
2.6.2. Phản ứng dây chuyền do neutron gây ra.
Sự phân hạch có thể xảy ra tự phát hoặc dưới tác dụng của neutron. Hiện tượng
phân hạch tự phát rất hiếm khi xảy ra. Thông thường, người ta quan sát thấy hiện tượng
phân hạch dưới tác dụng của neutron.
Khi phân hạch, khối lượng của các mảnh vỡ rất ít khi bằng nhau. Thí dụ khi bắn
neutron chậm vào hạt nhân, thì nó thì nó sẽ vỡ thành hai mảnh M và N có khối lượng

khác nhau và giải phóng từ hai đến ba neutron.
Phản ứng phân hạch luôn đi kèm một lượng lớn năng lượng tỏa ra. Ngay sau khi
phân hạch, phần năng lượng tỏa ra được phân bố giữa động năng và năng lượng kích
thích của các mảnh phân hạch, còn năng lượng kích thích lại phân bố giữa các neutron có
năng lượng cao, các neutron này lại có khả năng gây ra các phân hạch mới và làm cho
phản ứng có tính dây chuyền.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ
17
SP Vật Lý – Công Nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Tuy nhiên để có được nơtron ban đầu để gây phản ứng dây chuyền trên 235U
người ta phải dùng một phản ứng mồi để phát ra neutron hay người ta thường gọi là hiện
tượng quang phân rã hạt nhân.
2.6.3. Các neutron chậm.
Trong tổng số các neutron được tạo thành do phân hạch, có một phần nhỏ (cỡ
0,75%) xuất hiện đưới dạng neutron “ chậm”, nghĩa là xuất hiện sau một khoảng thời
gian lớn đáng kể sau khi sự phân hạch thực tế xảy ra. Chính sự có mặt của các neutron
này đã tạo ra chế độ mới trong hoạt động của lò.
Các neutron chậm có một ý nghĩa thứ yếu đối với quá trình phân hạch nhưng lại
có vai trò cơ bản trong quá trình điều khiển lò phản ứng. Chúng làm cho lò phản ứng
phản ứng chậm hơn nhiều đối với các thay đổi về độ phản ứng.

Hình 2.4. Phản ứng phân hạch dây chuyền của 235U
2.6.4. Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền.
Ở trên, ta đã trình bày phản ứng dây chuyền một cách đơn giản nhưng trong thực

tế thực hiện khó khăn, phức tạp hơn vì các lý do sau:
Không phải mọi neutron đi vào hạt nhân đều gây ra phân hạch, một số chỉ làm
cho hạt nhân phát xạ tia gamma mà không phát xạ neutron. Do đó phản ứng dây chuyền
không phải phụ thuộc vào số neutron sinh ra trong phản ứng phân hạch mà phụ thuộc vào
“ hệ số tái sản xuất” neutron n, tức là tỷ số giữa neutron sinh ra do phân hạch và số
neutron chậm bị bắt.

SVTH: Lê Thị Bé Thơ

18

SP Vật Lý – Công Nghệ