Công nghệ lò phản ứng nhanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

--------oOoOo-------

Khoá luận tốt nghiệp
Đề tài:

CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG NHANH

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm
CBPB : Th.S Trịnh Hoa Lăng
SVTH : Nguyễn Hữu Nam

____Tp. Hồ Chí Minh 1/2007____


----Mục lục---Lời cảm ơn
Lời nói đầu

Chương I: Lò phản ứng và các công nghệ lò phản ứng ......... 1
I.1. Lý thuyết về lò phản ứng ............................................ 1
I.1.1 Sơ lược về lò phản ứng ...................................................... 1
I.1.1.1
I.1.1.2
I.1.1.2.1
I.1.1.2.2
I.1.1.2.3
I.1.1.2.4

I.1.1.3
I.1.1.4

Đònh nghóa lò phản ứng hạt nhân ................................... 1
Lý thuyết về va chạm của neutron ............................... 1
Tán xạ đàn hồi ........................................................ 1
Tán xạ không đàn hồi ............................................. 2
Sự bắt bức xạ .......................................................... 2
Sự bắt sinh ra các đồng vò phân hạch ..................... 3
Sự phân hạch hạt nhân .................................................. 4
Năng lượng hạt nhân được sinh ra như thế nào ............. 4

I.2.1 Hệ số nhân keff và sự tới hạn của lò phản ứng .............. 6
I.2.2 Cấu tạo và quy trình hoạt động chung của lò phản ứng 8
I.1.3.1 Cấu tạo ............................................................................ 8
I.1.3.1.1
Tâm lò phản ứng ...................................................... 8
I.1.3.1.2
Nhiên liệu hạt nhân ............................................... 10
I.1.3.1.3
Chất làm chậm ....................................................... 10
I.1.3.1.4
Chất tải nhiệt ......................................................... 10
I.1.3.1.5
Các thanh điều khiển ............................................. 10
I.1.3.2 Quy trình hoạt động chung của lò phản ứng ................. 10

I.2. Lòch sử phát triển của lò phản ứng hạt nhân ........... 14
I.2.1 Lòch sử phát triển ............................................................. 14
I.2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân ..................................... 17

I.2.2.1
I.2.2.2
I.2.2.3
I.2.2.4
I.2.2.5

Lò khí ............................................................................. 17
Lò nước nặng ................................................................. 17
Lò nước nhẹ ................................................................... 17
Lò phãn ứng nhanh ........................................................ 18
Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc ............................... 18

I.2.3 Chất thải và tương lai của lò phản ứng hạt nhân .......... 19
I.1.3.1

Chất thải hạt nhân ........................................................ 19
63


I.1.3.2

Tương lai của năng lượng hạt nhân .............................. 20

Chương II. Công nghệ lò phản ứng nhanh ........................... 22
II.1 Lòch sử của lò phản ứng nhanh ................................... 23
II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh ..................................... 24
II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR) ...................................................... 24
II.2.1.1 Nhiên liệu ...................................................................... 25
II.2.1.2 Hiệu suất năng lượng ..................................................... 26
II.2.1.3 Thông số lò .................................................................... 27

II.2.1.4 Những ưu điểm của lò phản ứng nhanh dùng Natri ....... 28
II.2.1.4.1.
Ưu điểm .................................................................. 28
II.2.1.4.2.
Nhược điểm............................................................. 29

II.2.2 Lò chì lỏng (LCFR) ........................................................ 29
Nhiên liệu và chất làm nguội ......................................... 30
II.2.2.1.1
Nhiên liệu .............................................................. 30
II.2.2.1.2
Chất làm nguội ...................................................... 31
II.2.2.2 Các thông số của lò chì................................................... 32
II.2.2.3 Những ưu điểm và nhược điểm của LCFR ................... 35
II.2.2.3.1.
Ưu điểm .................................................................. 35
II.2.2.3.2.
Nhược điểm............................................................. 35
II.2.2.1

II.2.3 Lò Khí (GFR) ............................................................... 36
II.2.3.1 Nhiên liệu ...................................................................... 37
II.2.3.2 Thông số lò khí .............................................................. 39
II.2.3.3 Những ưu điểm và nhược điểm của (GFR) .................... 42
II.2.3.2.1.
Ưu điểm .................................................................. 42
II.2.3.2.2.
Nhược điểm............................................................. 43

II.2.4 Lò muối nung chảy ........................................................ 44

II.2.4.1
II.2.4.2
II.2.4.3

Nhiên liệu ...................................................................... 45
Các thông số lò ............................................................... 46
Những ưu điểm và nhược điểm của (MSFR) ................. 48
II.2.4.3.1
Ưu điểm .................................................................. 48
II.2.4.3.2
Nhược điểm............................................................. 51

II.2.5 Lò Nước siêu tới hạn ..................................................... 51
II.2.5.1 Trạng thái “ tới hạn”. .............................................. 51
II.2.5.2 Cấu tạo và hoạt động .............................................. 54
64


II.2.5.3 Những ưu điểm và nhược điểm của (SCFR) ............ 55
II.2.5.3.1
Ưu điểm ........................................................... 55
II.2.5.3.2
Nhược điểm ..................................................... 56

ChươngIII: Ứng dụng và tương lai của công nghệ lò phản ứng
nhanh .............................................................................. 57
III.1 Các ứng dụng của lò phản ứng nhanh…………………………………. 57
II.1.1 Ứng dụng năng lượng...................................................... 57
II.1.2 Ứng dụng trong công nghệ sản xuất hidro................... 58
II.1.3 Ứng dụng trong viẹc tái chế nhiên liệu........................ 59

III.2 Tương lai của lò phản ứng nhanh............................ ………...62
Mục lục ............................................................................................... 63
Tài liệu tham khảo .......................................................................... 66
Phụ Lục

65


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Chương I: Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
I.1 Lý thuyết về lò phản ưng.
I.1.1 Sơ lược về lò phản ứng.
I.1.1.1 Định nghĩa lò phản ứng hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị được sản xuất với mục tiêu
thu được sản phẩm hạt nhân sinh ra trong quá trình phân hạch, đó là
năng lượng hạt nhân, năng lượng bức xạ và như là một nguồn của
neutron nhanh và neutron nhiệt. Việc thiết kế, xây dựng lò phản ứng và
các phương pháp phân tích lò được xem xét đơn thuần như là một vấn đề
công nghiệp. Hoạt động của lò phản ứng dựa trên lý thuyết động lực học
cổ điển, các phương pháp cổ điển của sự trao đổi nhiệt, điện và cơ học.
Tuy nhiên sự tương tác giữa các vi hạt trong lò phản ứng lại được nghiên
cứu dựa trên những thành tựu về nghiên cứu lý thuyết “Vật lý hạt nhân”.
I.1.1.2 Lý thuyết về va chạm của neutron.
Neutron hoạt động trong vùng lõi của lò phản ứng, ở đó neutron
tương tác với các nguyên tố, các thành phần cấu tạo của lõi lò, gây ra các
phản ứng hạt nhân vàquan trọng nhất là sự phân hạch, Neutron tương tác
với hạt nhân theo hai quá trình: quá trình hấp thụ và tán xạ. Tương tác của
neutron với hạt nhân nguyên tử theo các cách sau.
I.1.1.2.1 Tán xạ đàn hồi.

Khi neutron bắn vào hạt nhân nguyên tử có thể diễn ra sự
va chạm đàn hồi. Quá trình tương tác này tuân theo các định luật
bảo toàn năng lượng và moment động lượng. Những kết quả của
năng lượng, tốc độ và góc tán xạ của neutron được nghiên cứu một
cách cụ thể theo lý thuyết động lực học cổ điển.
I.1.1.2.2 Tán xạ không đàn hồi.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 1


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Với bia là các hạt nhân nhân nặng như: sắt, uranium . . .
thì khi neutron có năng lượng cở 1MeV bắn vào có thể gây nên sự
kích thích hạt nhân bia dưới dạng tán xạ đàn hồi.
I.1.1.2.3 Sự bắt bức xạ.
Khi hạt nhân hấp thụ neutron sẽ tạo nên 1 đồng vị mới của
hạt nhân bia, cũng như năng lượng ban đầu của neutron được
chuyển hoàn toàn cho hạt nhân bia . Hạt nhân kích thích mới này
sẽ phát bức xạ và trở về trạng thái vững bền.
Ví dụ:
27

Co59  n  27 Co60

27

27

Co60  27 Co60  

(T1/2 = 10.5 min)

Co60  28 Ni 60     (T1/2 = 5.27 years)

Sự bắt bức xạ có thể được ứng dụng trong việc tạo ra
những đồng vị phóng xạ, và cả những đồng vị phóng xạ không có
trong tự nhiên, ứng dụng trong các ngành công nghiệp lẫn y khoa .
..
Ví dụ:
6

C13  n  6 C14

6

C14  7 N 14     ( T1/2 = 5730 years)

Hay :
8

8

O16  n  8 O17

O17  7 N 16  n      (T1/2 = 7.35 sec)

I.1.1.2.4 Sự bắt neutron sinh ra các đồng vị phân hạch.
Khi neutron được bắn vào bia như U238 hay Th232, neu tron
bị bắt vào hạt nhân thu được sản phẩm của phản ứng là hạt nhân có
khả năng gây ra phản ứng phân hạch.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 2


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
92

U 238  n  92U 239

92

U 239  93 Np 239   

93

Np 239  94 Pu 239    (T1/2 =2.3 day)

(T1/2 = 23.5 min)

và:
Th232  n  90Th233

90

Th233  91 Pa 233    (T1/2 =23.3 min)

90

91

Pa 233  92U 233    (T1/2 =27.4 day)

Các phản ứng này được ứng dụng trong công nghệ lò biến
đổi và lò tái sinh.
Trong lò phản ứng hạt nhân neutron sinh ra từ các phản
ứng phân hạch là các neutron nhanh có thể tạo nên phản ứng
tạo ra các đồng vị phân hạch.Tuy nhiên neutron còn sinh ra
trong một số phản ứng mà thành phần của các phản ứng này là
các mảnh phân hạch, điều này ảnh hưởng đến hệ số nhân
neutron của lò phản ứng mà ta sẽ xem xét sau này.
Ví dụ:
  1H 2  1H1  n

và

2

He4  4 Be9  6 C12  n

I.1.1.3 Sự phân hạch hạt nhân.
Phân hạch hạt nhân là một quá trình tương tác và phân rã giữa
neutron và hạt nhân có khả năng phân hạch. Như U235 hoặc Pu239. Sản
phẩm của quá trình phân hạch tạo ra bao gồm 2 hay nhiều mảnh vỡ phân

hạch đây là những hạt nhân nặng có khả năng phóng xạ, và sinh ra 1, 2
hay nhiều neutron mới. Kèm theo đó là một lượng năng lượng cực lớn
được sinh ra bởi sự thay đổi khối lượng của các hạt nhân trước và sau
quá trình phân hạch.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 3


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Sự phân hạch của U235 diễn ra theo các bước như sau:
- U235 bắt neutron tạo nên một đồng vị mới của U235 đó là
U236.
0

n1  92U 235  92U 236

ở trong trạng thái U236, có 16% của lượng U236 sẽ phát gamma
và có chu kỳ bán rã T1/2 = 2.4 x 107 năm, 84% còn lại của U236 sẽ gây
ra sự phân hạch.
- U236 vở ra và phân chia thành các mảnh nhỏ, và phát
neutron.
92

U 236  56 Ba139  36 Kr 94  3n  Q

ngoàiBa và Kr sản phẩm của sự phân hạch còn có thể là : I, Ce, Zr,

Sr .v.v.

I.1.1.4 Năng lượng hạt nhân được sinh ra như thế nào?
Năng lượng lò phản ứng hạt nhân thu được nhờ quá trình phân
hạch dây chuyền của nguyên tố phóng xạ. Neutron được sinh ra từ phản
ứng phân hạch đầu tiên lại tiếp tục va chạm vào các hạt nhân khác và xảy
ra phản ứng phân hạch, và cứ như thế tiếp tục xảy ra.

Hình I.1.1.4:1 Phản ứng phân hạch hạt nhân.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 4


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Phản ứng phân hạch của U235 trong lò phản ứng.
n  92U 235  X  Y  kn  Q

Trong đó:
235
Q : Là năng lượng của quá trình phân hạch U được tính toán

dựa trên sự thay đổi của tổng khối lượng các hạt nhân trước và sau phản
ứng. Q có giá trị cỡ 190 MeV trong đó gồm có.
167 MeV dưới dạng nhiệt năng sinh ra.
5 MeV năng lượng của neutron nhanh.
7 MeV bức xạ gamma tức thời.

5 MeV phát xạ beta của sản phẩm sau phân hạch.
6 MeV phát xạ gamma.
Tổng 190 MeV.
Như vậy cứ một phản ứng phân hạch ta thu được 167 MeV năng
lượng dưới dạng nhiệt năng. Do đó để thu dược 1W năng lượng dưới
dạng năng lượng nhiệt cần phải có 3,3 x 1010 phân rã/giây. Điều này
tương đương với việc chỉ cần 1,3 gam U235nguyên chất cho 1 MWngày.
Ta cũng có thể làm tính toán tượng tự với Pu239, U233 và các nguyên tố
phân hạch khác.

I.1.2

Hệ số nhân keff và sự tới hạn của lò phản ứng.
Trong một phản ứng phân hạch.
keff được gọi là hệ số phân hạch, hay là thừa số nhân của lò phản

ứng. keff được tính bằng số neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch thứ
i+1 và số neutron được sinh ra
k eff 

N i 1
Ni

trong phản ứng phân hạch thứ i.

keff <1:Phản ứng dưới tới hạn, dẫn đến ngưng phản ứng dây
chuyền.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 5


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

keff =1 :Phản ứng tới hạn, điều kiện kiểm soát trong lò phản ứng.
keff >1 :Phản ứng trên tới hạn, tình trạng không kiểm soát, trong
bom hạt nhân và các khi xảy ra các tai nạn hạt nhân.
Neutron trong lò phản ứng tương tác với hạt nhân có 3 cơ chế quan
trọng mà ta cần xét đến, đó là: gây ra phân hạch, bắt neutron và truyền
qua. Chúng ta giả sử rằng nguyên liệu cho lò phản ứng là U235 hoặc Pu239
tinh khiết. Khi đó điều quan tâm của chúng ta là tìm được số neutron
tương tác bị hấp thụ và gây ra phản ứng phân hạch từ số neutron được tạo
ra từ phản ứng phân hạch trước đó. Ta định nghĩa  là hệ số phát neutron,
là số neutron trung bình được phát ra sau mỗi lần phân hạch.  là hệ số
hấp thụ neutron, là số neutro nhanh và chậm bị bắt và gây ra phản ứng
phân hạch.


Được tính như sau.

f
,
a

trong đó:  a . tiết diện hấp thụ toàn phần.
 f . Tiết diện hấp thụ phân hạch.



U235

 slow

 fast

2.46

2.08

2.33

Pu239

2.88

2.03

2.70

233

2.54

2.31

...

U

Bảng I.1.2:1 Thông số 

và 

của một số nguyên tố phân hạch.

Ta thấy trong điều kiện tinh khiết của U235 thì ta có chỉ số  =2,08.
Thực tế trong tự nhiên U235 có hàm lượng rất nhỏ, chỉ chiếm 0,72% còn
lại 99,28% U238 do vậy chỉ số  lúc này là 1,34.
Như đã nói, ngoài việc hấp thụ neutron gây ra phân hạch hay phản
ứng bắt neutron sinh bức xạ, thì vẫn còn một lượng neutron sau rất nhiều
lần va chạm vẫn có thể thoát ra ngoài. Hệ số £ là hệ số thoát neutron của
lò phản ứng hạt nhân, là tỉ số giữa số neutron bị thoát ra ngoài và số
neutron tạo thành.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 6


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Trong điều kiện không tinh khiết của khối nhiên liệu, neutron còn
bị bắt và hấp thụ bởi các nguyên tố khác nằm trong thanh nhiên liệu (tạp
chất), và cả sản phẩm phân hạch được tạo ra. Hệ số f được tính bằng tỉ số
giữa neutron bị hấp thụ bởi U235 và tổng số neutron được hấp thụ bỡi
nhiên liệu lò phản ứng.
Như vậy hệ số nhân neutron sẽ được tính như sau.
keff =  £f

Điều kiện cần của lò phản ứng là keff =1, tức lò đạt tới trạng tới
hạn. Điều chúng ta cần làm là tính toán các chỉ số của thừa số nhân keff để
lò đạt tới trạng thái tới hạn mong muốn.
Một ví dụ với nguồn U233 khi đó theo bảng 2.1 ta có  =2,31 . 1
neutron trong số này cần dùng để duy trì phản ứng dây chuyền tron lò
phản ứng, và 1 neutron nữa cho việc hấp thụ của Th232 với mục tiêu tái
tạo lại lượng nhiên liệu U233 phân hạch. Như vậy theo lý thuyết đối với lò
tái sinh thì số neutron còn dư lại không cần thiết cho lò phản ứng là 2,31
-1-1 = 0,31 một cách khác, đối với các nhiên liệu khác nhau thì “Số
neutron tích luỷ” này được tính bằng  -2 .
Với nguồn nhiên liêu là Uranium trong tự nhiên hoặc Uranium
được làm giàu thấp thì hệ số nhân neutron còn bị thay đổi trong việc tính
toán sự tới hạn của lò phản ứng, bởi vì một ảnh hưởng của sự “Bắt cộng
hưỡng “ của U238 . Khi này hệ số nhân neutron được thêm vào hệ số p như
sau:
keff =  p£ f

với p: hệ số bắt cộng hưởng.

Như vậy “Hệ số nhân neutron” trong lò phản ứng phụ thuộc rất
lớn vào từng thông số của lò phản ứng : Thiết kế thanh nhiên liệu, Thiết
kế lò phản ứng .v.v.

I.1.3 Cấu tạo và quy trình hoạt động chung của lò phản ứng.
I.1.3.1 Cấu tạo.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 7

I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Cấu tạo chung của lò phản ứng bao gồm có các bộ phận cơ bản
như sau:
I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng.
Tâm lò là trái tim của lò phản ứng, là nơi xãy ra các quá trình phân
hạch và phản ứng dây chuyền của hạt nhân. Nhiệt lượng từ các phản ứng
phân hạch của hạt nhân sẽ được chuyển qua chất tải nhiệt và dẫn tới
turbin máy phát điện.

Hình I.1.3.1:2 Cấu tạo chung của một lò phản ứng.
- Bộ phận phát điện: bao gồm turbin là nơi chuyển đổi nhiệt năng
thành điện năng dùng trong tiêu thụ.
- Bộ phận làm lạnh: nhằm thu nhận tiếp một phần lượng nhiệt còn
dư, làm lạnh chất tải nhiệt trở lại tâm lò phản ứng.
Đây là cấu tạo chung của lò phản ứng sử dụng một chu trình nhiệt
khép kín của chất tải nhiệt hay còn gọi là chu trình trực tiếp. Chất tải
nhiệt được sử dụng trực tiếp vào các nhiệm vụ phát điện, làm lạnh. . .
Ngoài ra để tránh rò rỉ phóng xạ và nhiễm xạ các cơ cấu khác của lò phản
ứng người ta còn dùng chu trình gián tiếp của chất tải nhiệt.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 8


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Hình I.1.3.1:3 lò phản ứng sử dụng chu trình gián tiếp của chất tải nhiệt.

I.1.3.1.2 Nhiên liệu hạt nhân.
Đó là các nguyên tố phóng xạ có khả năng phân hạch như:
U (tồn tại dưới dạng oxit, hay hợp kim),

235

233

U .v.v.

I.1.3.1.3 Chất làm chậm.
Là chất có khả năng làm chậm neutron nhanh được sinh ra trong
phản ứng phân hạch tạo thành neutron chậm để gây ra phản ứng hạt nhân
tiếp theo trong dây chuyền phản ứng. Thường là những nguyên tố như: C,
H .v.v.
I.1.3.1.4 Chất tải nhiệt,
Có nhiệm vụ tải nhiệt lượng sinh ra từ phản ứng phân hạch trong
tâm lò phản ứng ra bên ngoài. ví dụ: nước nhẹ,nước nặng, CO2 , Na .v.v.
I.1.3.1.5 Các thanh điều khiển.
Có nhiệm vụ kiểm soát keff=1 và dừng lò khi cần thiết. Thanh
điều khiển được cấu tạo từ các nguyên tố có khả năng hấp thụ neutron rất
cao.

ví dụ : Boron, Cadimi .v.v.

I.1.3.2 Quy trình hoạt động của một lò phản ứng.
Quy trình hoạt động của một lò phản ứng được diễn ra như sau:

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 9


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Chất tải nhiệt sau khi được làm nóng nhờ hấp thụ năng lượng phân
hạch trong tâm lò phản ứng được dẫn truyền qua hệ thống ống dẫn tới các
Turbin của máy phát điện. Tại đây nhiệt lượng của chất tải nhiệt được
chuyển thành điện năng, tiếp đó chẩt tải nhiệt được tiếp tục dẫn tới hệ
thống trao đổi nhiệt, và tiếp tục được dẫn qua các quá trình làm lạnh.

Hình I.1.3.2:4 Chu trình hoạt động của lò phản ứng với Helium.

Sau quá trình làm lạnh chất tải nhiệt được dẫn truyền trở lại tâm lò.
Lò phản ứng hoạt động theo một chu trình nhiệt động lực học dựa trên các
nghiên cứu chính về chu trình Carnot và các ứng dụng của nó. Chu trình
nhiệt trong lò phản ứng được áp dụng cho chất tải nhiệt, không phải là khí
lý tưởng do đó có những cải tiến đáng kể được gọi là chu trình Brayton.
Hình I.1.3.2:5 Chu trình Brayton cơ bản và cải tiến
Hiệu suất của chu trình Brayton cổ điển ứng dụng lý thuyết từ chu

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 10

I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

trình Carnot là rất thấp.
Nhiệt độ cao nhất tại tâm lò
Nhiệt độ thực khi tới turbin
Nhiệt độ nhỏ nhất
Nhiệt độ thực sau các quá trinh
làm lạnh

1000°C
659.7°C
15°C
134.5°C

1000°C
659.7°C
15°C
134.5°C

Hiệu suất Carnot
Hiệu suất Brayton

77.37%
48.21%

77.37%
56.30%

Bảng

I.1.3.2:2 Hiệu suất giữa chu trình braton cổ điển và nâng cao.
Như vậy: nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt cùa các quá trình trao đổi
nhiệt, và của lò phản ứng người ta thiết kế nâng cao chu trình nhằm nâng
cao tối đa hiệu suất nhiệt của lò phản ứng.

Hình I.1.3.2:6 Chu trình Brayton cổ điển và nâng cao.
Hiệu suất của chu trình
Brayton theo lý thuyết:
1

  1

(rp )

k 1
k

Hình I.1.3.2:7 Giản đồ áp suất – thể tích.
với:

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 11


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
rp 

P2
.
P1

k : hệ số botzman .
Như vậy nói cách khác hiệu suất của chu trình Brayton chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ vào và ra của 2 trạng thái đầu và cuối.
Bên cạnh việc thiết kế công nghệ nhằm tối ưu hiệu ứng nhiệt tron
lò phản ứng, người ta còn liên kết các lò phản ứng lại với nhau hình thành
nên một tổ hợp nhằm tố ưu hoá hiệu ứng nhiệt.

Hình I.1.3.2:8 Một tổ hợp các lò phản ứng.

I.2 Lịch sử phát triển của lò phản ứng hạt nhân.
GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 12


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

I.2.1 Lịch sử phát triển.
Mặc dù cộng nghệ hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân mới được loài
người nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, nhưng thực ra
trong tự nhiên đã xuất hiện 1 lò phản ứng từ rất lâu, mới năm 1972 mới
được khám phá ra lần đầu tiên tại Oklo (Gabon) bởi Francis Perrin. Theo
nghiên cứu sơ bộ thì lò phản ứng tự nhiên tại Oklo này có độ tuổi vào
khoãng 150 triệu năm. Và có công suất trung bình 100 kW trong suốt thời
gian nó tồn tại.

Ngày 2/12/1942 Enrico Fermi và Leo Szilard đã đánh dấu lần đầu
tiên trong việc chứng minh rằng phản ứng dây chuyền có thể điều khiển
khiển được. Cũng từ lúc này thế giới đã bắt đầu bắt tay vào việc tìm ra
quy chế, cách điều khiển phản ứng hạt nhân dây chuyền và thiết kế các lò
phản ưng sơ khai, với mục đính chính là để nghiên cứu. Mỹ là nước tiên
phong trong công nghệ này với việc thiết kế ra các loại lò mini đầu tiên
ứng dụng trong quân sự: các máy bay quân sự, các hạm đội ở biển . . .
Tiếp đó vào giữa 1950 Liên X6 và các nước phương tây cũng chính thức
bắt tay vào nghiên cứu lò phản ứng dùng cho mục đích phi quân sự. Tuy
nhiên tất cả việc nghiên cứu này diễn ra cực kỳ bí mật do lợi ích của từng
quốc gia, giữa họ không có sự giao lưu về nghiên cứu trong lĩnh vực này,
đây củng là một hạn chế của thời kỳ đầu công nghệ hạt nhân.
20/12/1951 lần đầu tiên điện năng được tạo ra từ năng lượng hạt
nhân thông qua dự án mang tên: Experimental Breeder Reactors ( EBR-1
) được xây dựng tại Arco (Idaho, US).
27/6/1954 (5.30 pm) Nhà máy
điện hạt nhân đầu tiên dược xây dựng
và đi vào hoạt động, tại Obninsk
(Moskva.Liên Xô) , nó đi vào hoạt

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 13


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

động với công suất 5MW cung cấp đủ cho 2000 hộ dân khi đó.
Hình I.2.1:9 Thung lũng Calder.

Lò phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại lần đầu tiên
được xây dựng tại thung lũng Calder, và chính thức đi vào hoạt động
ngày 17/10/1956.
Cùng với sự phát triển của Vật lý hạt nhân, Vât lý lò phản ứng và
các nghiên cứu sâu rộng về lò phản ứng của nhiều quốc gia trên khắp thế
giới, hiện nay công nghệ lò phản ứng đã được ứng dụng và phát triển ở rất
nhiều các quốc gia trên thế giới. Tổng cộng có 441 nhà máy điện trên thế
giới hiện nay hoạt động trên 30 nươc, với tổng cộng suất 359 triệu kW
chiếm 17% toàn bộ sản lượng diện trên toàn thế giới.
Với nhu cầu ngày càng lớn của toàn cầu về năng lượng, sự suy cạn
về những tài nguyên thiên nhiên như: khí, dầu, than . . . thúc đẩy sự phát
triển của công nghiệp năng lượng cần phải tìm ra những nguồn năng
lượng mới cho con người, nhằm đa dạng hoá phân bố năng lượng chứ
không chỉ phụ thuôc quá nhiều vào một vài nguồn tài nguyên như trước
nữa.

Quốc gia

Số lò

Tổng công
suất(MW)

1. Mỹ

104

98.230

2. Pháp

59

63.073

3. Nhật

54

44.287

4. Đức

19

21.283

5. Nga

30

20.793

6. Hàn Quốc

18

14.890

7. Anh

31

12.252

8. Ucraina

13

11.207

9. Canada

14

10.018

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 14


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
10. Thụy Điển

11

9.432

Bảng I.2.1:3 Điện hạt nhân tại một số quốc gia trên thế giới (2003-IAEA)
Phát triển của công nghiệp năng lượng bao gồm tìm hiểu, ứng
dụng, và khai thác các nguồn năng lượng mới như: Năng lượng gió, năng
lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt . . . trong số đó “Năng lương hạt
nhân” là một hướng đi gần như tối ưu
và

gianhất,
quanQuốc
trọng

Enuclear o
( )
o
Eused

bỡi sự dồi dào về

mặt nhiên liệu và một nguồn năng
lượng vô kể từ các phản ứng hạt nhân
thu được.

Bảng I.2.1:4 Tỉ lệ năng
lượn

1.Latvia
2.Pháp
3.Slovakia
4.Belgium
5.Bungari

6.Thuỵ điển

80.12
77.97
65.41
57.32
47.30
45.75

7.Ukraina
7
8.Slovenia
Korea
9.Korea
10.Hungary

45.66
40.74
38.62
36.14

g hạt
nhân của một số quốc gia
(Thống kê năm 2003).

I.2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam

Trang 15


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

Lò phản ứng hạt nhân được phân chia theo các đặc điểm: Nhiên
liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt .v.v.
Dưới đây là một số thế hệ lò đang được sử dụng trên thế giới hiện
nay.
Lò Khí, lò Nước nặng, lò Nước nhẹ, lò phản ứng nhanh (hay còn gọi
là lò tái sinh)
I.2.2.1 Lò Khí.
Là lò phản ứng sử dụng khí làm chất tải nhiệt, chất làm chậm
là than chì, nhiên liệu là uranium tự nhiên. Lò này được phát triển
và sử dụng nhiều ở Anh.
I.2.2.2 Lò Nước nặng.
Lò này sử dụng nước nặng làm chất làm chậm, Nươc nặng
hấp thụ ít neutron vì vậy nhiên liệu có thể sử dụng là uranium tự
nhiên.
I.2.2.3 Lò Nước nhẹ.
Lò sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt, có
2 loại lò nước nhe: PWR (lò áp suất cao) & BWR (lò nước đun
sôi).
PWR: sử dụng 2 chu trình, chu trình 1 nhận nhiệt từ lò phản
ứng, không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho nước trong chu
trình thứ 2, chu trình 2 làm sôi nước quay turbin vì vậy turbin
không bị nhiễm xạ. Sử dụng cho mục đích quân sự (trong công
nghệ tàu ngầm. . .)
BWR: chỉ sử dụng 1 chu trình nước được đun sôi trực tiếp
và làm quay tua bin phát điện, Turbin bị nhiểm xạ nhưng kết cấu

của lò nhỏ gọn đơn giản và giá thành rẻ.
Vì nước nhẹ có khả năng hấp thụ neutron cao vì vậy nhiên
liệu của loại lò này phải là Oxid của Uranium làm giàu cở 4%.
I.2.2.4 Lò phản ứng nhanh.
GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 16


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
Lò Phản Ứng

Nhiên liệu

Chất Tải nhiệt

Chất làm chậm

Là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng, lò không sử
dụng chất làm chậm để làm chậm neutron, mà trực tiếp dùng chất
tải nhiệt làm chất làm chậm, neutron nhanh được sử dụng với mục
đích tái sinh nhiên liệu phản ứng cho lò thông qua các phản ứng:
Th232 (n,e) U233, U238 (n,e) Pu239 .
I.2.2.5 Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc.
Lò ứng dụng công nghệ máy gia tốc, neutron được tạo thành
và gia tốc trong các máy gia tốc, sau đó được bắn vào các bia hạt
nhân có khả năng phân hạch, ở các bia này luôn có hệ số nhân
neutron keff <1 tức luôn ở tình trạng dưới tới hạn, muốn lò hoạt
động ta chỉ cần hoạt động máy gia tốc gây ra phản ứng phân hạch

tại bia bắn. Muốn dừng lò, đơn giản chỉ cần dừng hoạt động của
máy gia tốc, bỡi tại bia bắn sự phân hạch luôn ở trạng thái dưới tới
hạn.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 17


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.
BWR

UO2 làm giàu

Nước

Nước

PWR

UO2 làm giàu

Nước

Nước

PHWR (Candu)

Quặng UO2 tự nhiên

Nước nặng

Nước nặng

GCR

Uranium tự nhiên

CO2

Graphite

AGR

UO2 làm giàu

Carbon Dioxide

Graphite

LWGR

UO2 làm giàu

Nước

Graphite

FBR

Plutonium Oxide và UO2

Natri lỏng

Không

Bảng I.2.2.5:5 Một vài loại thông số lò hạt nhân hiện nay.

2.3 Chất thải và tương lai của lò phản ứng hạt nhân.
I.2.3.1 Chất thải hạt nhân.
Liên quan đến vấn đề hạt nhân thì yêu cầu về an toàn trong hoạt
động xây dựng. . . cũng như xử lý chất thải là vấn đề cực kỳ quan trọng
được đặt lên hàng đầu trong việc thiết kế và xây dựng lò phản ứng.
Sản phẩm của quá trình phân hạch U235 , Pu239 hay U233 thường là
những chất có khả năng phóng xạ lớn. Có thời gian bán rã lâu dài (có thể
lên tới hàng triệu năm) do vậy yêu cầu bảo đảm an toàn là tối cần thiết,
bảo vệ sức khoẻ cho sự an tòan của chính chúng ta.
Theo tính toán: Nếu chúng ta có một nhà máy điện hạt nhân kiểu lò
nước áp suất cao (PWR) có công suất 1000MW. Như vậy trung bình một
năm lò nay sản sinh ra 21 tấn chất thải, trong đó bao gồm.
 20 tấn nhiên liệu chứa Uranium với hàm lượng là 0.9 %.
 200 kg Plutonium.
 21 kg các nguyên tố họ actini: Neptuni, Americi, Curi...
 760 kg các sản phâm phân hạch có khả năng phóng xạ.
9kg Cesi(135)

T1/2 =2.3 x106 năm.

- 18 kg Tecnixi(99)

T1/2 =2.14x 106 năm.

- 16 kg Zirconi(93)

T1/2 =1.5 x106 năm.

-

T1/2 =6.5x 106 năm.

-

5.5 kg Paladi(107)

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 18


I . Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng.

-

3 kg Iot(128)

T1/2 =1.5x 106 năm.

Lượng chất thải này được qua một tiến trình tái chế và tái sử dụng

trở lại lò phản ứng. Tuy vậy trong quá trình tái chế lượng Pu239 cần được
sự giám sát chặt chẻ bỡi chỉ cần với 9kg ta có thể tạo ra một quả bom hạt
nhân.

I.2.3.2 Tương lai của năng lượng hạt nhân.
Nhu cầu về năng lượng, giá thành sản xuất, sự cạn kiệt của tài
nguyên thiên nhiên, nguồn nhiên liệu dồi dào và vô tận của năng lượng
hạt nhân . . .tất cả hợp thành những yếu tố tất yếu cho việc phát triển điện
hạt nhân và công nghệ lò phản ứng.
5/2001: tổng thống Mỹ đã phát biểu trong chiến lược năng lượng
quốc gia:”Việc mở rộng ứng dụng điện nguyên tử đã trở thành một yếu tố
quan trọng và cần thiết” qua đây đã chứng tỏ nhu cầu tất yếu của điện hạt
nhân.
Và với việc thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng: lò phản ứng
nhanh và tái sinh cộng với công nghệ lò phản ứng dưới tới hạn bằng máy
gia tốc cực kỳ an toàn đã mở ra một kỷ nguyên mới của lò phản ứng, an
toàn, kinh tế và chiến lược. Lò phản ứng gần như đã là một phần không
thể thiếu trong chính sách năng lượng cơ cấu kinh tế của một quốc gia.
Có thể nói ngắn gọn về tương lai của công nghệ lò phản ứng đó là:
Tính tất yếu bảo đãm sự vững bền và phát triển trong tương lai.

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 19


II. Cơng nghệ lị phản ứng nhanh.

Chương II.

Công nghệ lò phản ứng nhanh.

Lò phản ứng nhanh được phát triển như là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản
ứng hạt nhân hiện nay. Lò sử dụng nhiệt lượng trực tiếp neutron nhanh được tạo ra
trong quá trình phân hạch, lò sử dụng neutron nhanh tái sinh nhiên liệu nhằm duy trì
hoạt động, công suất lò và tối ưu hoá thời gian làm việc lâu dài, nhưng vẫn duy trì
được độ ổn định của lò.
Về cơ bản nguyên tắc tái sinh của lò phản ứng nhanh dựa trên phản ứng bắt
neutron sinh ra đồng vị phân hạch, neu tron nhanh sinh ra từ các phản ứng phân hạch
tương tác với bia nhiên liệu và tạo nên những đồng vị phân hạc mới, các phản ứng.
92

U 238  n  92U 239

92

U 239  93 Np 239   

93

Np 239  94 Pu 239    (T1/2 =2.3 ngày)

(T1/2 = 23.5 phút)

và:
Th232  n  90Th233

90

Th233  91 Pa 233    (T1/2 =23.3 phút)

90

91

Pa 233  92U 233    (T1/2 =27.4 ngày)

Với U 238 cũng như Th232 là những hạt nhân có rất nhiều trên bề mặt trái đất, trong
quặng uranium khai thác được. Vì vậy công nghệ lò phản ứng nhanh hứa hẹn một
tương lai năng lượng với một nguồn nhiên liệu tái sinh là rất lớn.

II.1 Lịch sử của lò phản ứng nhanh.
Lò phản ứng nhanh đầu tiên có tên là Clementime, được xây dựng tại Los
Alamos (USA) vào năm 1946 với công suất 150 kW. Năm 1951, dự án EFR
(Experiment Breeder Reactors)”Lò phản ứng tái sinh thử nghiệm” là lò phản ứng
nhanh tái sinh đầu tiên được đưa vào hoạt động và phát điện. Tiếp theo đó trong
GVHD : Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 22


II. Cơng nghệ lị phản ứng nhanh.

thập kỷ 60 liên tiếp 4 lò phản ứng hoạt động ở mức tới hạn được xây dựng và thử
nghiệm. Năm 1964 lò phản ứng có tên là “US Enrico Fermi” được đưa vào sử dụng
và phát điện với công suất 66 MWe, tuy nhiên lò chỉ hoạt động được 8 năm, do bắt
đầu từ năm thứ 3 hoạt động lò chịu một sự tan chảy của nhiên liệu bởi sức nóng mà
lò phải chịu đựng. Dự án BN-350 và PFR là ba dự án thành công và đưa vào hoạt

động trong khoảng thập niên 70, tuy nhiên 1990 và 1994 lần lượt lò BN-350 và
PFR ngừng hoạt động, nguyên nhân việc dừng hoạt động là do nồi hơi của lò phản
ứng, nồi hơi được thiết kế chưa đáp ứng được nhiệt độ và áp suất rất cao của lò phản
ứng, 1985 Dự án lò phản ứng nhanh SNR-300 với sự hợp tác giữa Đức, Bỉ, Hà lan,
đã được xây dựng và hoàn thành tại Đức, tuy nhiên vẫn chưa được vận hành do luật
pháp của chính phủ. Ở Nhật bản tháng 4.1994 Dự án Monju hoàn thành và đưa vào
hoạt động tuy vậy tháng 9.1995 lò ngừng hoạt động do Natri dò rỉ ra tại chu trình
thứ cấp của lò phản ứng.
Tuy nhiên những lợi ích của lò phản ứng nhanh đem lại trong việc tái sinh
nhiên liệu, thời gian hoạt động dài sau một chu ky thay thế nhiên liệu, do vậy các
quốc gia như Mỹ, Nga, Anh, Nhật đang tiếp tục phát triển, ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực cả trong quân sự, công nghiệp năng lượng và nhiều ứng dụng khác.

II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh.
Sự phân loại lò phản ứng nhanh dựa trên sự khác nhau giữa các chất tải nhiệt
trong lò phản ứng thì ta có các loại như sau: lò khí, lò chì, lò natri, lò nước siêu tới
hạn và lò muối nung chảy.

II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR).

GVHD : Th.S Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Hữu Nam
Trang 23