Bài giảng Chương 3 Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Chương 3

CẤU
Ấ TRÚC
Ú CỦA
Ủ
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Đà Lạt, 2011
1


I. MỘT VÀI THÔNG TIN CHUNG
Về mặt
ặt thiết bị:
bị
Máy gia tốc Van der Graaff: Năm 1931, máy gia tốc Van der Graaff được
chế tạo.
ạ
Máy gia tốc cynclotron: Năm 1932, E. Lawrence phát minh khả năng
điều khiển chùm hạt và máy gia tốc cynclotron ra đời.
yg
gia tốc Betatron: Năm 1936,, DW. Berst chế tạo
ạ thành công
g máy
yg
gia
Máy
tốc betatron.

Lò phản ứng nghiên cứu: Năm 1942, E. Fermi và các cộng sự chế tạo
g thiết bị duyy trì p
phản ứng
g dây
y chuyền
y là LPƯ nghiên
g
cứu tại
thành công
trường ĐH Chicago (Năm 1934, chính Fermi phát hiện ra phản ứng phân
hạch hạt nhân khi cho nơtron tương tác với uranium).
Vũ khí hạt nhân: Ngày 16/7/1945, Mỹ thử nghiệm thành công quả bom
nguyên tử đầu
ầ tiên. Ngày 6/8/1945, quả bom “Little Boy” đã thả xuống
ố
Hiroshima và ngày 9/8/1945, quả bom “Fat Man” đã thả xuống Nagasaki.
Nhà máy điện hạt nhân: Ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu
tiê công
tiên
ô suất
ất 5 MWe
MW tại
t i thà
thành
h phố
hố Obninsk
Ob i k hò
hòa mạng lưới
l ới điện
điệ quốc

ố gia.
i
2


Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng:
1. Năng
g lượng
ợ g cao (MeV
(
– GeV):
)
Các máy gia tốc: cynclotron, Linac, electron beam, …
- Nghiên cứu khám phá thế giới Vật lý hạt cơ bản
- Các
Cá ứ
ứng d
dụng xạ ttrịị chữa
hữ bệ
bệnh
h và
à sản
ả xuất
ất đồ
đồng vịị phóng
hó
xạ để sử dụng PET trong Y tế, chiếu xạ vật liệu công nghiệp, nông
nghiệp, …
2. Năng lượng thấp (MeV – eV):
Các Lò phản ứng: Lò phản ứng nghiên cứu, lò năng lượng (Điện hạt

nhân) lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân),
nhân),
nhân) ... :
- Sử dụng năng lượng (bức xạ và phân hạch) để phục vụ
sản xuất và đời sống con người, …
- Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân
nhân, cấu trúc hạt nhân
- Các nghiên cứu về vật lý và kỹ thuật LPƯ.

3


Hạt nhân nguyên tử:
+ Vì hạt nhân có năng lượng liên kết
ế nên:
- Muốn tách các nucleon cần một năng lượng lớn hơn
năng
g lượng
ợ g liên kết  ((trung
g bình 8 MeV).
)
- Các hạt nhân có Z>83 thì có  <0, do vậy các hạt nhân
này đều là hạt nhân phóng xạ phân rã alpha.
- Khi h
hạtt nhân
hâ nặng
ặ vỡ
ỡ ra thành
thà h 2 hạt
h t nhân

hâ ttrung bình
bì h
cũng cần năng lượng vượt năng lượng liên kết 2 hạt nhân. Trong
quá trình phân rã sinh ra năng lượng dư. Mỗi phân rã do neutron
tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U
(U-235)
235) sinh ra năng lượng
khoảng 200 MeV.
 Đó là cơ sở cho lò phản ứng hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử và
bom ng
nguyên
ên tử (bom A).
A)
- Khi 2 hạt nhân nhẹ được tổng hợp nhiệt hạch thành một hạt
nhân trung bình cũng tỏa ra năng lượng lớn gấp 6 lần so với năng
lượng tỏa
ỏ ra do phân hạch.
 Đó là cơ sở của bom H.

4


Phản ứng PHÂN CHIA Hạt NHÂN:
Phản ứng phân chia hạt nhân
đối với U-233,, U-235,, U-238
Pu-239, Th-232

A
nụtron

haùt nhaõn
B

nụtron

haùt nhaõn

U-233, U-235, Pu-239 phân rã
d n nhiệt
do
hiệ (0
(0,025
025 eV);
V)
U-238, Th-232 phân rã
do n nhanh ( 1 MeV).

gamma, alpha, ...

C

gamma, alpha
l h ...

haùt nhaõn
5


nguyên lý của phản ứng phân hạch:
Nơtron nhiệt

Nhiệt năng

N

Nơtron nhanh

Nơtron nhiệt

N

N
Phân hạch

U 235

Chất lm chậm

U 235

N

Hấp
thụ

N

Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch
6

Ph¶n øng ph©n H¹ch D¢Y CHUYÒN:

Giả sử mỗi phân hạch tạo ra 3 nơtron

0

Number of
neutrons
1

1

3

2

32 = 9

3

33 = 27n

Generation

Số nơtron được tạo ra rất nhanh qua phản
ứ dâ
ứng
dây chuyền
h ề

350 = 1025n

7


Lß Ph¶n øng H¹t NH¢N PH¢N H¹CH:
+ c¸c ®Ỉc ®iĨm cđa ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n

1. Sinh ra các bức xạ ion hóa: nơtron, gamma, beta, v.v…
2 Giai
2.
Giải phong
phóng ra nang
năng lương
lượng rat
rất lớ
lơn.
n
+ lß ph¶n øng h¹t nh©n: Là

nhân dây chuyền.

thiết bò duy trì Phản ứng hạt

+ c¸c lo¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n c¬ b¶n:

1. Lò nghiên cứu: Sử dụng các bức xạ ion hóa (năng lượng bức
xa)) đe
xạ

để trien
triển khai cá
cac
c ứ
ưng
ng dụ
dung
ng cua
của ky
kỹ thuật hat
hạt nhâ
nhan
n vao
vào
các lónh vực kinh tế.
2. Lò năng lượng: Sử dụng nhiệt năng (từ năng lượng phân
h ch) đ
hạ
đểå sảûn xuấát điệ
đi än.
3. Lß t¸i sinh: n+U-238 P-239, n+Th-232U-233

 Lß ph¶n øng h¹t nh©n §μ L¹t thc lo¹i thø 1 !
 Lß nhiƯt h¹ch: do ph¶n øng nhiƯt h¹ch: D+T  He+n
8


sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng:
Thanh điều khiển

Vnh phản xạ

Nhiên liệu hạt nhân

Thùng lò

Chất lm chậm

Chất tải nhiệt

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN
9


Ii. thông tin về lò phản ứng nghiên cứu
trên thế giới
+ 3:25 phút ngy 2/12/1942, phản ứng phân hạch tự duy trì đã
đợc thực hiện thnh công trên LPƯ hạt nhân đầu tiên với tên
Pil 1 ((còn
Pile-1
ò gọii l lò Fermi).
F
i)
+ Theo số liệu của IAEA nm 2006, đã có 831 LPƯ nghiên cứu
các loại đã đợc xây dựng.
+ Thời điểm có số LPƯ vận hnh nhiều nhất l năm 1975 (390 lò
vận hnh).
+ Hiện nay có 68 nớc đã hoặc đang có LPƯ nghiên cứu với:
287 lò đang vận hnh v 10 lò đang xây dựng v 10 lò đã có kế
hoạch xây dựng.

+ Cú 114 lũ ó dng hot ng nhng cha thỏo d,
d 410 lũ ó
v ang thỏo b.
+ Cú 40 quc gia thuc cỏc nc ang phỏt trin cú LPNC vi
84 lũ ang

vn
hnh
h h v
7 lũ ang

xõy
õ d
dng.
10


+ Phân bố số LPƯ đang
g vận
ậ hnh theo vùng:
g
- Bắc Mỹ:
63
- Tây âu:
60
g âu:
73
- Đông
- Chây Mỹ la tinh: 20
- Châu phi/ trung cận đông: 15

- Châu á:
56
Developing


- Số LPƯ trong các
nớc đang phát
triển
ể đ
đang tăng.
- Số LPƯ trong các
nớc phát triển
đang giảm
giảm.

Số lợng L
LPƯ NC

Industrialized
Total
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0

số lợng lp nc đang vận hnh theo các năm
390

372

382

365

320
281

172

320

306

17

39

52

69

76

306

284

283
252

155
37

321

338

82

86

223
83

199
85

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

11


Phân bố tuổi của LPƯ đang vận hành:

+ khoảng

kh ả 60% cóó thời gian
i vận
ậ hành
hà h ttrên
ê 40 năm;
ă
+ khoảng 80% đã vận hành trên 30 năm.
ậ hành sẽ tiếp
p tục
ụ ggiảm và
+ trongg 20 năm tới,, số LPƯ đangg vận
dự đoán chỉ 1/3 trong số trên sẽ còn hoạt động.
Phân bố tuổi của các LPƯ đang vận hành (số liệu năm 2008)
22
20
18
Số lượng LPƯ
Ư

16
14
12
10
8
6
4
2
0
0

5

10

15

20

25
30
35
Số năm vận hành

40

45

50

55

12


Phân bố LPƯ đang vận hành theo công suất lò:

+ Khoảng
Kh ả 24% LPƯ cóó công
ô suất
ất trên

t ê 10 MWt;
MWt
+ Đến khoảng năm 2020 chỉ còn khoảng 35 LPƯ có công suất
trên 10 MWt vận hành.
+ Trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và
dự đoán chỉ 1/3 trong số trên (khoảng 100 lò) sẽ còn hoạt động.
>= 20 MW
8%

Các LPƯNC có công suất từ 1 MWt

>= 100 MW
4%
< 1 kW
18%

>= 10 MW
12%

ph©n bè sè lp− nc cã c«ng suÊt tõ 1 mw trë lªn

>= 2 MW
23%

22
18

20

17

15

10

8

10

4

6

5

C«ng suÊt nhiÖt, MW

100-400

50-70

40-45

23-35

10.0-20

5.0-9.0

2.0-4.0

0

1
500-563

25

>= 1 kW
26%

26

1.0-1.5

Sè l−îng LP¦ N
NC

30

>= 500 kW
9%

Phân bố công suất của các
LPƯNC đang vận hành
13


+ Trong 287 LPƯ nghiên cứu đang vận hành được phân theo
loại LPƯ như sau:

+ Lò pool-type, lò loại bể:
68 (23,7%)
+ Lò tank-type, lò loại thùng:
33 (11,5%)
TRIGA-type:
type:
40 (14,1%)
+ Lò TRIGA
+ Lò nước nặng:
12 (4,2%)
+ Cơ cấu tới hạn:
60 (21,1%)
+ SLOWPOKE:
6 (2,1%)
(2 1%)
+ HOMOG.:
19 (6,7%)
+ ARGONAUT:
7 (2,5%)
+ Các
Cá loại
l i khác:
khá
42 (14,6%)
(14 6%)
(zero power, fast sodium, sodium cooled, LMFBR, …)

14

PHÂN LOẠI LPƯNC THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG:
1

Nghiên cứu (đa mục
tiêu - multipurpose)

164

57 1%
57,1%

2

Thử nghiệm vật liệu

23

8,1%

3

Phục vụ đào tạo

37

13,0%

4

Cơ cấu tới hạn (dùng

nghiên
hiê cứu,
ứ đào
đà ttạo))

60

21,1%

5

Thử nghiệm thiết kế

2

0,7%

6

Thử nghiệm sản xuất
điện

1

0 3%
0,3%

287
15

+ Theo công suất,
suất LPƯ nghiên cứu có thể phân ra:
- Lò công suất không (Z) < 10 kWt
- Lò công suất thấp (L): từ 10 kWt - 1 MWt
- Lò công suất
ấ trung bình (M):
( ) từ 1 - 10 MWt
- Lò công suất cao (H): > 10 MWt
- Lò xung
- Lò nơtron nhanh
- Cơ cấu tới hạn (critical assembly)
+ Nhiên liệu cho LPƯ nghiên cứu:
- độ giàu U-235 cao: 19,75% - 93%
- Hình dạng: dạng thanh
thanh, dạng ống tròn
tròn, dạng ống vuông,
vuông
dạng ống lục giác, dạng tấm.
+ Cơ chế làm nguội vùng hoạt: tự nhiên
nhiên, cưỡng bức
bức.
+ Phản xạ vùng hoạt: berylium, graphite, nước nặng.

16


+ Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á - Thái
Bình Dương có bức tranh như sau:
- Úc:

- Bangladesh:
- Trung quốc:
- Ấn
Ấ độ:
độ
- Indonesia:
- Hàn quốc:
- Malaysia:
- Pakistan:
pp
- Philippines:
- Thái Lan:
- Việt Nam:

1 lò công suất 20 MW mới đưa vào vận hành (8/2006)
1 lò công suất 3 MW đang vận hành (từ 1983)
>10: đang vận hành, 2 xây mới (60 MW và 20 MW)
4 đang
4:
đ
vận
ậ hà
hànhh 1 MW,
MW 100 MW,
MW 40 MW,
MW 1 sắp
ắ xây
â
3: đang vận hành 100 kW, 2 MW, 30 MW
1: đang vận hành 30 MW (từ 1995)

1: đang vận hành 1 MW (từ 1987)
2: đang vận hành 10 MW và 30 kW
1: đangg chờ tháo dỡ 3 MW
1: đang vận hành 2 MW, 1: đang xây mới 10 MW
1: đang vận hành tại Đà Lạt 0,5 MW (1963, 1984);

đangg thuyết
y minh dự
ự án xâyy dựng
ự g lò 15 MWt.
W

17


CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU:
1. Loại lò (1):
 Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt,
MWt chủ yếu có 2 loại:
+ Lò dạng bể (pool type)
+ Lò dạng thùng (tank type)
+ Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open-tank
(open tank in pool)
thùng kín trong bể (closed-tank in pool)
Loại thùng hở có nhiều
ề ưu điểm:
ể
+ thao tác trong vùng hoạt dễ dàng hơn,
+ uyển chuyển hơn trong quá trình sử dụng về góc độ cải
tạo, lắp

ắ đặt thêm thiết
ế bị,
+ giá thành thiết kế và chế tạo thấp hơn, …
ụ tiêu hiện
ệ nay
y đều dùng
g loại
ạ
 Hầu hết các LPƯNC đa mục
(open-tank in pool), có bể
ể chính và bể
ể phụ.
18


1. Loại lò (2):
Loại thùng không có
nắp đậy trong bể lò
(lò FRM-II, 20 MW của
Đức).
Lò công suất cao cần
có bể phân rã 16N
(decay tank) sinh ra do
phản ứng 16O(n, p)16N.
Đây là phản ứng có
ngưỡng
ỡ
10 2 MeV.
10.2
M V 16N

phân rã thành 16O trong
thời gian 7.14 s và phát
ra tia
ti γ cứng
ứ
năng
ă
lượng 6.13 MeV.

19


1. Loại lò (3):
Lò loại bể bơi không có
nắp đậy (lò WWR, 10
MW của Nga).
Bể lò có 3 ngăn: bể lò, bể
ệ đã
chứa thanh nhiên liệu
cháy và bể phân rã N-16 phía
dưới bể chứa nhiên liệu.
1- vỏ bể lò,
lò 2- vùng hoạt,
hoạt 3- vành
phản xạ, 4- các kênh của hệ thống
điều khiển và bảo vệ lò (CPS), 5van đối lưu tự nhiên, 6- van tràn, 7tấ ngăn,
tấm
ă 88 vòi
òi phun,
h

9 nắp
9ắ có
ó thể
di chuyển, 10 - đèn, 11- cơ chế vận
chuyển các côngtainơ đồng vị, 12động cơ của CPS, 13- phòng đặt
động cơ của các thanh điều
ề khiển
ể và
bảo vệ lò, 14- tấm cản xạ, 15- các
kênh cho detector nơtron.

20


1. Loại lò (4):
Lò loại bể bơi TRIGA 14 MW
của Rumani.
Đặc biệt:
+ Trong cùng một bể
lò có
ó 2 LPƯ:
LPƯ lò TRIGA
làm việc ở chế độ
công suất ổn định 14
MW và một
ộ lò làm việc
ệ
ở chế độ xung công
suất đến 2000 MW nên
còn gọi là lò TRIGA

Dual Core
Core.
+ 14 MW là lò có công
suất lớn nhất trong số
các lò
ò TRIGA
G hiện
ệ có
trên thế giới.
21


1. Loại lò (5):

Lò loại bể bơi cải tiến
CARR 60 MW (China).
+ Nước làm nguội đi
từ trên xuống dưới,
qua bình dẫn hướng
(guiding
(g
g tank),
), qua
q
vùng hoạt, đi vào bể
ể
phân rã N-16 (decay
tank).
+ Bể lò chứa 700 m3
nước, trong bể lò đặt

bình dẫn hướng,
g vỏ
chứa vùng hoạt
(core-housing vessel)
và bể phân rã N-16.
22


2. Chất làm mát (1):
+ Nước nhẹ và nước nặng là sự lựa chọn chung nhất cho chất
làm mát của LPƯ nghiên cứu.
+ Nước nặng có ưu điểm là sẽ tiết kiệm nơtron hơn nước nhẹ,
tuy nhiên lại có những nhược điểm đáng kể vì giá thành đắt và
hệ
ệ thống
g phức
p
tạp.
ạp
+ Khi sử dụng nước nặng để làm mát, cần phải có một hệ
thống làm nguội vòng sơ cấp khá phức tạp để ngăn chặn
tritium ((sinh ra do n tương
g tác với nước nặng)
ặ g) g
giải p
phóng
g vào
môi trường.
+ Vì việc thao tác thường xuyên trên vùng hoạt của LPƯ để
thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự

tinh khiết của nước nặng luôn là vấn đề cần quan tâm.
 Hầu hết các thiết kế cho LPƯNC loại bể (không có áp lực)
đề chọn
đều
h
nước
ớ nhẹ
h làm
là chất
hất làm
là mát
át cho
h hệ thống
thố
tải nhiệt
hiệt
vòng sơ cấp.
23


3. Phương pháp làm mát (1):
+ Có 2 phương pháp: dòng chảy làm nguội hướng lên trên
vùng hoạt và dòng chảy làm nguội hướng xuống dưới vùng
hoạt.
hoạt
+ Ưu điểm của hệ thống làm nguội cưỡng bức với dòng chảy
hướng lên trên:
- Việc thay đổi từ đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên
là hoàn toàn tự nhiên vì dòng chảy cùng hướng lên trên vùng hoạt.
Ngược

g ợ lại,
ạ , do có sự
ự thay
y đổi hướng
g chảy
y xuống
g trong
g đối lưu
cưỡng bức sang hướng chảy lên do đối lưu tự nhiên, hệ thống
chảy xuống cần phải được thiết kế thận trọng nhằm tránh sự đình
trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi hướng chảy.
- Việc lắp đặt và bảo dưỡng các thiết bị đo lưu lượng và
nhiệt độ ở lối ra vùng hoạt ở từng vị trí có đặt nhiên liệu hoàn toàn
dễ dàng.
- Giảm khả năng tắc nghẽn kênh làm nguội mà có thể dẫn
đến làm sôi chất làm nguội trong vùng hoạt.
24


3. Phương pháp làm mát (2):
+ Tuy nhiên, dòng chảy hướng lên cũng có nhược điểm là có
thể gây ra sự rung động của các thanh nhiên liệu và một số
cấu
ấ trúc
t ú khác
khá đặt trên
t ê giá
iá đỡ khi lưu
l
llượng dòng

dò
chảy
hả lên
lê trở
tở
nên rất lớn.
+ Khi thiết kế dòng chảy hướng lên cần quan tâm:
- Bơm có bánh đà để dần dần dừng lại sau khi ngắt điện,
đưa sự chuyển tiếp nhẹ nhàng từ cơ chế đối lưu cưỡng bức sang
đối lưu tự nhiên,
nhiên

- Van nắp, tự động mở do chênh áp, đưa nước bể lò đi
qua vùng hoạt để đối lưu tự nhiên.
+ Khi thiết kế dòng chảy hướng xuống cần quan tâm:
- Có hệ điện nuôi liên tục (diezel, UPS) để nuôi một số
b
bơm
để đề phòng
hò
mất
ất điện
điệ lưới.
l ới
25