Quá trình đốt cháy nhiên liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA VẬT LÝ
BỘ MƠN VẬT LÝ HẠT NHÂN


KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

QÚA TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU
LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Nguyễn Đình Gẫm

Giáo viên phản biện:

CN. Lê Công Hảo

Sinh viên thực hiện:

Lê Thanh Nhựt

– TPHCM 2008 –


Lời cảm ơn
Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp này trước hết tôi xin gởi lời cảm ơn chân
thành các thầy cô trong Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân đã tận tình chỉ bảo tơi trong suốt
hai năm học chun ngành, chính sự tận tình truyền đạt kiến thức của thầy cô đã

giúp tôi hiểu được các kiến thức cơ bản về Vật Lý Hạt Nhân.
Trong q trình hồn thành khóa luận này tơi đã nhận được sự giúp đỡ của
rất nhiều người.
Trước tiên tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Đình gẫm,
thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tơi có thể hồn thành khóa luận này một cách
tốt nhất.
Tôi xin cảm ơn anh Đặng Nguyên Phương đã đóng góp ý kiến rất nhiều cho
khóa luận của tôi.
Tôi xin cảm ơn thầy Lê Công Hảo đã dành thời gian đọc khóa luận, và đóng
góp ý kiến q báu giúp khóa luận này hồn thiện hơn.
Cuối cùng tơi xin gởi lời tri ân đến gia đình tôi, và nhất là người cha quá cố
của tôi đã động viên tơi trong suốt q trình học tập.


1

MUÏC LUÏC
Trang
MỤC LỤC ............................................................................................................ 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... 4
CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC ........................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 6
Chƣơng 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN .............. 7
1.1 Lịch sử phát triển .......................................................................................... 7
1.2 Phân loại lò phản ứng .................................................................................. 9
1.2.1 Các thế hệ lò phản ứng .......................................................................... 9
1.2.2 Các loại lò phản ứng đƣợc sử dụng trên thế giới hiện nay ................ 12
1.3 Chất thải hạt nhân và tƣơng lai lò phản ứng hạt nhân ............................. 14
1.3.1 Chất thải hạt nhân ................................................................................. 14

1.3.2 An toàn khi vận hành của một lò phản ứng hạt nhân ........................ 15
1.3.3 Tƣơng lai của năng lƣợng hạt nhân ..................................................... 16
Chương 2

LÝ THUYẾT LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ....................... 18

2.1 Sơ lƣợc về lò phản ứng hạt nhân ................................................................. 18
2.1.1 Định nghĩa về lò phản ứng hạt nhân ................................................... 18
2.1.2 Lý thuyết về va chạm của neutron ...................................................... 18
2.1.3 Sự phân hạch hạt nhân ......................................................................... 20
2.1.4 Sự hình thành năng lƣợng trong lị phản ứng .................................... 21
2.2 Hệ số nhân k eff và sự tới hạn của lò phản ứng ........................................... 22
2.3 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân...................................................................... 24
2.4 Quá trình hoạt động của lò phản ứng hạt nhân ......................................... 25


2

Chƣơng 3

CÁC HIỆU ỨNG LÀM THAY ĐỔI HOẠT ĐỘ .................. 28

3.1 Các đơn vị của độ đốt cháy nhiên liệu ......................................................... 28
3.2 Tốc độ cháy của U-235 .................................................................................. 32
3.3 Tốc độ tích lũy của U-239 ............................................................................. 34
3.4 Sự thay đổi độ phản ứng theo sự đốt cháy nhiên liệu ............................... 39
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO

3

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Công suất điện hạt nhân của một số quốc gia trên thế giới .................. 8
Bảng 1.2 Tỉ lệ điện hạt nhân trên tổng công suất điện của một số
quốc gia trên thế giới ........................................................................................... 9
Bảng 1.3 Dự đoán tỉ lê sử dụng điện hạt nhân của một số
quốc gia vào năm 2050 ......................................................................................... 17
Bảng 2.1: Giá trị của  và  của các hạt nhân phân hạch ................................. 23
Bảng 3.1: Số liệu của sự cháy nhiên liệu .............................................................. 31


4

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng phân hạch hạt nhân ..................................................... 21
Hình 2.2 Cấu tạo chung của lị phản ứng hạt nhân .............................................. 24
Hình 2.3 Sơ đồ hoạt động của lị phản ứng hạt nhân ........................................... 27
Hình 3.1 Sự tỉ lệ giữa năng lượng phóng thích khi đốt cháy một đơn vị khối
lượng uranium và liều chiếu neutron tồn phần................................................... 32
Hình 3.2 Sự suy giảm nồng độ U-235 ................................................................... 33
Hình 3.3 Sự suy giảm nồng độ của U-235 theo độ đốt cháy nhiên liệu............... 34
Hình 3.4 Sự tích lũy của Pu-239 theo thời gian.................................................... 35
Hình 3.5 Sự tích lũy của Pu-239 theo độ đốt cháy nhiên liệu ............................. 36
Hình 3.6 Chuỗi phản ứng bắt đầu bằng đồng vị phì nhiêu Th-232 ...................... 38
Hình 3.7 Chuỗi phản ứng bắt đầu bằng đồng vị phì nhiêu U-238 ....................... 38
Hình 3.8 Nồng độ các đồng vị phân hạch theo độ đốt cháy nhiên liệu ................ 40
Hình 3.9 Các thành phần của sự thay đổi độ phản ứng
theo sự cháy của nhiên liệu ................................................................................... 41
Hình 3.10 Sự thay đổi của 4 hệ số, k∞ và k theo sự cháy nhiên liệu ..................... 43

Hình 3.11 Sự thay đổi độ phản ứng theo số ngày vận hành lò phản ứng ............. 44


5

CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC



Suất ra phân hạch



Hệ số tái tạo neutron



Tiết diện hiệu dụng vi mô



Thông lượng neutron

a

Tiết diện hiệu dụng vĩ mô hấp thụ neutron



Tiết diện hiệu dụng vĩ mô hấp thụ neutron của nhiên liệu

aF

f

Hệ số sử dụng nhiệt



Độ phản ứng

k eff

Hệ số nhân hiệu dụng




Hằng số phân rã
Hệ số phát neutron phân hạch


6

Lời Mở Đầu
Các lý thuyết về hạt nhân nguyên tử đã được các nhà khoa học hàng đầu thế
giới xây dựng từ cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 nhưng mãi đến những năm 40 của thế
kỷ 20 thì cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân mới ra đời. Ban đầu mục đích để nghiên
cứu về các lý thuyết hạt nhân, nhưng dần về sau cơng nghệ lị phản ứng đã chứng tỏ
được nó ứng dụng được nhiều cho cuộc sống như các ứng dụng trong quân sự, công

nghiệp, y học…., và nó đã có những bước tiến vững chắc. Nhiều thế hệ lò phản ứng
đã ra đời cho đến hiện nay đã ra đời lò phản ứng thế hệ thứ 4 thể hiện được tính ưu
việt của nó về độ an toàn và hiệu quả cao.
Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ, ngành công nghệ
năng lượng nguyên tử của Việt Nam cũng phát triển rất mạnh và thu được nhiều kết
quả. Ngày nay ta có thể thấy được cơng nghệ hạt nhân được ứng dụng trong các
ngành công nghiệp, nông nghiệp, y học, qn sự....
Vai trị của cơng nghệ hạt nhân là rất lớn trong sự phát triển của một quốc
gia và thành tựu của công nghệ hạt nhân đem lại càng lớn hơn ở một quốc gia có
nên khoa hoc kỹ thuật tiên tiến.,
Lị phản ứng hạt nhân có những ưu thế cao như::
 Tạo hiệu suất năng lượng cao.
 Tạo ra các đồng vị phóng xạ kể cả những đồng vị khơng có trong tự
nhiên
 Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
Trong khóa luận này tơi muốn giới thiệu khái qt về lị phản ứng hạt nhân
và tơi cũng xin trình bày về sự đốt cháy nhiên liệu trong lò phản ứng qua đó phân
tích về động học lị phản ứng hạt nhân.


7

Chƣơng 1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1.1 Lịch sử phát triển
Mặc dù công nghệ hạt nhân và lị phản ứng hạt nhân mới được lồi người
nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, nhưng thực ra đã có lị phản ứng
trong tự nhiên khơng phải do con người xây dựng nó được tạo ra từ những biến đổi

vật chất trong vỏ địa cầu, và lò phản ứng này được Francis Perrin tìm thấy tại Oklo
(Gabon) năm 1972. Theo phân tích của các nhà khoa học thì lị phản ứng này có độ
tuổi khoảng 150 triệu năm và có cơng suất là 100 kW trong suốt q trình 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 được. cũng từ lúc này
thế giới đã bắt đầu bắt tay vào việc tìm ra quy chế, các điều khiển phản ứng hạt
nhân dây chuyền và thiết kế lò phản ứng sơ khai, với mục đích chính là để nghiên
cứu. Hoa Kỳ là nước tiên phong trong công nghệ này với việc thiết kế ra các lọai lò
mini đầu tiên ứng dụng trong quân sự, quốc phòng: các hạm đội trên biển, các máy
bay quân sự, ... tiếp đó vào nhưng năm thập niên 50 của thế kỷ 20 Liên Xô cũ và
các nước phương tây cũng nhảy vào cuộc nhưng ứng dụng cơng nghệ lị phản ứng
hạt nhân cho các mục đích phi quân sự. tuy nhiên các nghiên cứu này đều diễn ra
một cách bí mật, nó được xem là bí mật quốc gia nên khơng có bất kỳ một sự chia
sẻ thông tin nào giữa các quốc gia, từng quốc gia phát triển cơng nghệ của mình
một cách độc lập, đây là một hạn chế của thời kỳ đầu của công nghệ hạt nhân.
Ngày 20/12/1950 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
tai Arco (Bang Idaho – Hoa Kỳ)
27/6/1954 nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng và đi vào họat
động tại Obninsk (Matxcova – Liên Xô cũ) với công suất họat động 5MW cung cấp
đủ cho 2000 hộ dân khi đó.
Lị phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại đầu tiên được xây
dựng tại thưng lũng Calder, và chính thức đi vào họat động vào ngày 17/10/1956.


8

Cùng với sự phát triển của vật lý hạt nhân, vật lý lò phản ứng và các nghiên
cứu sâu rộng về lò phản ứng của nhiều quốc gia trên khắp thế giới, hiện nay cơng
nghệ lị phản ứng đã được ứng dụng và phát triển ở rất nhiều quốc gia trên thế giới.

Trên thế giới hiện có 443 tổ máy điện hạt nhân hoạt động trên 32 quốc gia
với tổng cơng suất 370 triệu kW chiếm 16% tồn bộ sản lượng điện trên tồn thế
giới. Hiện nay có 26 tổ máy điện hạt nhân với tổng công suất 20,8 triệu kW đang
được xây dựng.
Theo tính tốn cho đến năm 2040 các nguồn năng lượng truyền thống như :
dầu, khí đốt, than đá, ...sẽ cạn kiệt mà nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng lên do
vậy con người đang ra sức tìm ra nguồn năng lượng mới để dần thay thế như: năng
lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, ... nhưng năng lượng hạt nhân là ưu tiên hàng
đầu hiện nay bởi vì nó là một hướng đi tối ưu nhất do nó có nguồn nhiên liệu dồi
dào và có một nguồn năng lượng rất lớn thu được từ các phản ứng hạt nhân.
Tôi xin đưa ra các số liệu cho thấy năng lượng hạt nhân đã và đang được
ứng dụng trong đời sống con người ngày nay.
Bảng 1.1 Công suất điện hạt nhân của một số quốc gia trên thế giới
Quốc gia

Số lị

Tổng cơng suất (MW)

Hoa Kỳ

104

98.230

Pháp

59

63.073

Nhật

54

44.287

Đức

19

21.283

Nga

30

20.793

Hàn Quốc

18

14.890

Anh

31

12.252

Ucraina

13

11.207

Canada

14

10.018

Thụy Điển

11

9.432


9

Bảng 1.2 Tỉ lệ điện hạt nhân trên tổng công suất điện của một số quốc gia
Quốc gia

Tỉ lệ điện hạt nhân
(%)

Latvia

80.12

Pháp

77.97

Slovakia

65.41

Bỉ

57.32

Bungari

47.30

Thụy Điển

45.75

Ucraina

45.66

Slovenia

40.74

Hàn Quốc

38.62

Hungari

36.14

1.2. Phân loại lò phản ứng hạt nhân
1.2.1 Các thế hệ lò phản ứng
Một trong những nhu cầu cần thiết để phát triển quốc gia là năng lượng, và
năng lượng đến từ các lò phản ứng phân hạch được các nhà khoa học chú ý đến từ
những năm đầu thập niên 50 của thế kỷ 20.
Từ đó lò phản ứng thuộc thế hệ thứ I ra đời. Các lò này hiện tại vẫn còn được
sử dụng tuy nhiên các lò thuộc thế hệ này đang đi dần đến sự đào thải vì thời gian
vận hành sắp chấm dứt (tuổi thọ của một lò phản ứng vào khoảng 50 năm), thế hệ
thứ II ra đời vào đầu thập niên 70, thế hệ thứ III vào thập niên 90. Và sau cùng là
thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều kỳ vọng trở thành một công nghệ
hồn hảo vì sẽ làm giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc phóng thích CO2
đối với các lị phản ứng thuộc các thế hệ trước đó, thực hiện được an toàn trong vận
hành, và nhất là các lò trên sẽ là “lò phản ứng tự giải quyết” trong trường hợp có tai


10

nạn xảy ra, nghĩa là không cần thiết đến sự hiện diện của con người trong trường
hợp này.
 Lò phản ứng thế hệ thứ I
Lị phản ứng có tên Magnox là một lò phản ứng đầu tiên được sản xuất và
tung ra thị trường vào những năm đầu thập niên 50 của thế kỳ 20 do 3 nhà vật lý

học người Anh: Tiến sĩ Ion, Khalit, Magwood phát minh, lò Magnox sử dụng nhiên
liệu là Uranium trong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% là đồng vị U-235 cịn lại
99,2% U-238.
Nguyên tắc vận hành của lò phản ứng thế hệ thứ nhất


Các ống kim loại Uranium này được bao bọc bằng một lớp hợp kim

gồm Nhôm (Al) và Magie (Mg), một lớp than Graphite đặt nằm giữa ống Uranium
và hợp kim trên có mục đích làm chậm vận tốc phóng thích của neutron do sự phân
hạch của U-235, từ đó các neutron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U-235 để
các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra làm tăng thêm sự va chạm, đây là một phản
ứng phát nhiệt rất lớn và CO2 được dùng để chuyển tải nhiệt năng này đến một máy
turbin hơi nước để từ đó biến cải thành điện năng.


Việc điều hịa vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản

ứng là một công đoạn quan trọng bậc nhất của một lị phản ứng, trong cơng đoạn
này lị Magnox sử dụng một loại thép làm từ Boron (B), loại thép nà có tính chất
hấp thụ các neutron, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn.
Có tất cả 26 lò Magnox đã hoạt động ở Anh Quốc, hiện tại chỉ còn 8 lò còn
đang họat động và sẽ bị đào thải vào năm 2010.
 Lò phản ứng Thế hệ thứ II
Các lò này đã ra đời vào thập niên 70 và 80 của thế kỷ 20, hiện chiếm đa số
các lò đang họat động trên thế giới. Từ lúc ban đầu 60% của loại lò này áp dụng
nguyên lý lị nước dưới áp suất (Pressurized Water Reactor-PWR), trong đó nước
dưới áp suất cao được sử dụng vừa làm dung dịch làm nguội, vừa làm dung dịch
điều hòa phản ứng.

11

Nhiên liệu sử dụng cho lò thuộc thế hệ thứ II này là hợp chất Uranium
dioxide hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại Zirconium, khi
đó Uranium-235 sẽ được làm giàu từ 0.7% đến 4%.
Nhưng các loại lò này dần dần được thay thế bằng cách áp dụng nguyên lý
của lò hơi nước dưới áp suất (Boiling Water Reactor-BWR).
Một khác biệt căn bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm
tăng áp suất. phương pháp này rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước trong khi
chuyển số nhiệt lượng qua các turbin để biến thành điện năng.
 Lò phản ứng thế hệ thứ III
Kể từ cuối thập niên 80 của thế kỷ 20, thế hệ thứ III bắt đầu được nghiên
cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ thứ II. Và lò này
được đi vào hoạt động đầu tiên vào năm 1996 tại Nhật Bản, bằng sáng chế đã được
US Nuclear Regulatory Commission (NRC) xác nhận.
Hiện tại các lò này đang được xây dựng ở nhiều quốc gia trên thế giới do có
thời gian xây dựng ngắn (3 năm) và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ
trước cùng phương cách vận hành cũng như bảo trì tương đối đơn giản và an tồn
hơn.
 Lị phản ứng thế hệ thứ IV
Tuy nhiên trước yêu cầu ngày càng cấp thiết hơn về an tồn lao động và bảo
vệ ơ nhiễm mơi trường nhất là hiệu ứng nhà kính, các khoa học gia đang tiến dần
đến việc xây dựng các lò hạch nhân thế hệ thư IV, trong đó hệ thống an tồn khơng
cịn dùng đến con người nữa mà hồn tồn tự động. Thêm nữa sẽ khơng cịn có việc
thải hồi khí CO2 vào khơng khí. Một đặc điểm mới của lò phản ứng hạt nhân thế hệ
thứ IV này là có thể sản xuất ngồi điện năng, cịn cho ra Hydrogen, một nhân tố
căn bản cho hầu hết các phương pháp tổng hợp hóa chất cần thiết cho cơng kỹ nghệ.
Thế hệ thứ IV còn được gọi là “lò phản ứng cách mạng”. Thế hệ này đang được 9
quốc gia phối hợp thử nghiệm từ năm 2000.

12

Các quốc gia này gồm: Ả Rập Xêut, Ba Lan, Canada, Pháp, Nhật Bản, Nam
Phi, Hàn Quốc, Anh, và Thụy Sĩ. Cộng đồng nguyên tử năng Châu Âu (European
Atomic Energy Community) cũng đã xin gia nhập nghiên cứu chung vào năm 2003.
Thế hệ này sẽ đi vào ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn những điều
kiện sau ngoài các lợi thế kể trên:
 Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại.
 Hoàn toàn an toàn 100%.
 Phế thải giảm thiểu tối đa.
Lò phản ứng hạt nhân được phân chia theo các đặc điểm: nhiên liệu, chất làm
chậm, chất tải nhiệt, ...
Ở đây tôi xin nêu ra một số thế hệ lò phản ứng đang được sử dụng trên thế
giới hiện nay.
1.2.2 Các loại lò phản ứng đƣợc sử dụng trên thế giới hiện nay
 Lò khí
Là lị phản ứng sử dụng khí làm chất tải nhiệt, chất làm chậm than chì, nhiên
liệu là Uranium, lị này được phát triển và ứng dụng nhiều ở Anh.
Lúc đầu loại lò này được dùng để sản suất Pu (cho mục đích qn sự) và
dùng khơng khí làm chất tải nhiệt.
Để phát triển loại lò này thành lò phản ứng phát điện cần phải nâng nhiệt và
áp lực của chất tải nhiệt. Vì khơng thể sử dụng được khơng khí nên khí CO2 được
dùng làm chất tải nhiệt, từ đó đã cho ra đời loại lị khí kiểu Anh sử dụng trong nhà
máy điện hạt nhân.
Để cạnh tranh được với lò nước nhẹ đang dần trở nên phổ biến, người ta
nâng thêm nhiệt độ và áp lực khí (chất tải nhiệt). Tuy nhiên cũng gặp khó khăn bởi
vì khi nhiệt độ CO2 tăng cao đến một mức độ nào đó thì sẽ khơng ổn định và vì thế
khơng thể sử dụng được, để khắc phục được điều này người ta đã cho phát triển một

loại lị khí tiên tiến hơn dùng chất tải nhiệt là Heli, có thể ổn định ngay cả khi ở
nhiệt độ cao nhưng lại gặp khó khăn trong kỹ thuật thực hiện và tiêu tốn chi phí cao
khơng thể cạnh tranh được với lị nước nhẹ.


13

Tuy vậy các kinh nghiệm về lị khí vẫn được người ta vận dụng và việc phát
triển lị khí nhiệt độ cao vẫn đang được triển khai. Lò này sử dụng chất tải nhiệt là
Heli nhằm nâng cao nhiệt độ khí đầu ra của lị lên hơn 750 0 C và nâng cao hiệu suất
nhiệt. Loại lò này cũng đang có kế hoạch sử dụng đa mục đích như sử dụng như
trong cơng nghiệp hóa học …
 Lị nƣớc nặng
Là lò phản ứng sử dụng nước nặng làm chất làm chậm, nước nặng hấp thụ ít
neutron vì vậy nhiên liệu có thể sử dụng là uranium tự nhiên.
 Lị nƣớc nhẹ
Lò sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt, có 2 loại là nước
nhẹ PWR (Pressurized Water Reactor - Lò áp suất cao) và BWR (Boiling Water
Reactor - Lị nước sơi).
 Lị áp suất cao (PWR)
Ngay từ đầu đã được phát triển cho mục đích quân sự như tạo sức đẩy cho
tàu thuyền đặc biệt là sử dụng cho tàu ngầm.
Lò phản ứng này sử dụng hai chu trình, chu trình thứ nhất của lị phản ứng
được thiết kế không làm sôi nước mà chỉ truyền nhiệt sang chu trình thứ hai để tạo
hơi nước hơi nước làm quay turbin do vậy turbin không bị nhiễm xạ.
 Lị nước sơi (BWR)
Ngay từ đầu đã được phát triển cho mục đích hịa bình là phát điện, loại lò
này khác với lò PWR là chỉ sử dụng một chu trình, nước đun sơi trực tiếp tạo hơi
nước và dùng hơi nước đó làm quay turbin điện, vì vậy turbin điện bị nhiễm xạ
trong quá trình vận hành, nhưng do khơng có chu trình thứ hai giống lị PWR nên

kết cấu của lò nhà nhỏ gọn đơn giản và có giá thành thấp.
Vì nước nhẹ có khả năng hấp thụ neutron cao nên không thể dùng uranium
tự nhiên làm nhiên liệu của lò nước nhẹ, nhiên liệu cho lọai lò này phải là Oxid của
Uranium làm giàu thấp, khoảng 4%.


14

 Lò phản ứng nhanh
Là thế hệ thứ tư của cơng nghệ lị phản ứng, lị khơng 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 lị phản ứng cho lị thơng
thường qua các phản ứng …
 Lị sử dụng cơng nghệ máy gia tốc
Lị ứng dụng cơng 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 ln có hệ số nhân neutron k eff < 1 tức là luôn ở trạng thái dưới tới hạn
muốn lò họat động ta chỉ cần họat động máy gia tốc gây ra phản ứng phân hạch tại
bia bắn. Muốn dừng lò đơn giản chỉ cần dừng họat động của máy gia tốc bởi tại bia
bắn sự phân hạch luôn ở trạn thái dưới tới hạn.
 Lò tái sinh
Lò tái sinh là thế hệ thứ IV của cơng nghệ lị phản ứng. Lò sử dụng chất tải
nhiệt là chất làm chậm, neutron nhanh sử dụng với mục đích tái sinh nhiên liệu
phản ứng cho lò qua các phản ứng bắt neutron của các hạt nhân sau:
232

Th (n, e) 233U, 238U (n, e) 239Pu.

1.3. Chất thải và tƣơng lai của lò phản ứng hạt nhân
1.3.1 Chất thải hạt nhân

Liên quan đến vấn đề hạt nhân thì u cầu về an tồn trong họat động xây
dựng cũng như xử lý chất thải là vấn đề cực kỳ quan trọng được đặt lên hàng đầu
trong việc thiế kế và xây dựng lò phản ứng .
Sản phẩm của quá trình phân hạch thường là những chất có khả năng phóng
xạ lớn. có thời gian bán rã lâu dài có thể lên đến hàng triệu năm do vậy yêu cầu bảo
đảm an toàn là tối cần thiết bảo vệ sức khỏe cho sự an toàn của chúng ta.
Theo tính tốn nếu chúng ta có một nhà máy điện hạt nhân kiểu lò nước áp
suất cao (PWR) có cơng suất 1000MW, trung bình một năm lị này sản sinh ra 21
tấn chất thải, trong đó bao gồm:


15

20
200
21
760

tấn nhiên liệu chứa Urnium với hàm lương 0.9%
Kg Pu
Kg các nguyên tố họ Actini: Neptunium, Americium, Curium, …
Kg các sản phẩm phân hạch có khả năng phóng xạ.

9

Kg Cs

T1/2 = 2.3x106 năm.

18

Kg Te

T1/2 =2.14x106 năm.

16

Kg Zirconi

T1/2 = 1.5x106 năm.

5.5 Kg Paladi

T1/2 = 6.5x106 năm.

3

T1/2 = 1.5x106 năm.

Kg Iot

Lượng chất thải này được qua một tiến trình tái chế và tái sử dụng trở lại lò
phản ứng, trong số hơn 30 nước phát triển công nghệ hạt nhân trên thế giới, chỉ có 3
nước đã xây dựng và vận hành nhà máy tái chế chất thải từ các thanh nhiên liệu là
Anh, Pháp và Nga. Hiện Nhật đang chuẩn bị xây dựng. Công nghệ tái chế chất thải
hạt nhân từ các thanh nguyên liệu phức tạp và đắt tiền, trong vòng 10 năm (19922002) Nga nhập khẩu khoảng 20000 tấn chất thải hạt nhân dạng này của các nước
và chi phí các nước phải trả cho Nga là khoảng 20 tỷ USD. Tuy nhiên trong quá
trình tái chế lượng Pu-239 cần phải được giám sát chặt chẽ bởi chỉ cần 9 kg Pu-239
là có thể chế tạo thành một quả bom hạt nhân.
Ngoài việc tiến hành tái chế sử dụng trở lại lò phản ứng người ta còn sử

dụng biện pháp là chôn những chất thải này ở bên dưới lòng đất ở những khu tách
biệt với dân cư, tuy nhiên biện pháp này sẽ đưa ra những hệ lụy sau:
 Chơn dưới lịng đất sẽ khơng an tồn nếu xảy ra các thiên tai động đất
hoặc nơi chôn các chất thải có nguồn nước ngầm đi qua sẽ làm rị rỉ lượng phóng xạ
ra mơi trường.
 Nếu khơng được tái chế sử dụng lại thì đến một lúc nào đó nguồn
nhiêu liệu sẽ bị cạn kiệt.
1.3.2 An tồn khi vận hành một lò phản ứng hạt nhân
Để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững trong tương lai, bây giờ chúng ta
phải làm thế nào để bảo đảm an toàn trong vận hành và an toàn cho dân chúng sống


16

chung quanh lò phản ứng hạt nhân trong tường hợp có tai nạn hay khủng bố xảy ra,
đây là mục tiêu mà mọi quốc gia đang nhắm đến.
 Cần phải có một hệ thống kiểm sốt hữu hiệu để chấm dứt hệ thống
phát nhiệt khi xảy ra tai nạn. Tai nạn ở Chernobyl – Liên Xô cũ năm 1986 đã xảy ra
quá trầm trọng về mặt thiệt hại nhân sự vì lị phản ứng hạt nhân ở nơi đây khơng có
hệ thống tự động để ngưng phản ứng khi xảy ra sự cố.
 Làm thế nào để di dời các phế thải phóng xạ, nếu khơng được di dời
đúng lúc phế thải phóng xạ sẽ tích tụ ngày càng nhiều làm cho các ống phản ứng
nóng lên và làm hư hại các ống này, do đó lị phản ứng sẽ bị giảm hiệu năng và có
thể xảy ra tai nạn. Đó là tai nạn ở một lị phản ứng hạt nhân Pennsylvania- Hoa kỳ
vào năm 1979.
 Làm thế nào để ngăn chặn chất phóng xạ thốt ra ngồi khơng khí, do
đó lị phản ứng phải hồn tồn bị cơ lập trong trường hợp có tai nạn.
Các lị phản ứng thuộc thế hệ thứ I và thế hệ thứ II có hệ thống an toàn dựa
theo các nguyên lý về cơ học, vật lý, và điện học như: hệ thống kiểm sốt nhiệt, các
chốt đóng/mở tự động, bơm tự động, hệ thống làm nguội tự động.

Trong lúc đó các lị thuộc thế hệ thứ III được trang bị hệ thống di dời phế
thải phóng xạ và có hệ thống bơm nước để giải nhiệt tồn thể lị phản ứng, khi tai
nạn xảy ra sẽ có một hệ thống an tồn tự động hoạt động ngay khơng cần có sự điều
khiển của con người.
Hiện tại, trước khi thế hệ thứ IV đi vào hoạt động, thế hệ thứ III đang được
cải tiến thêm để thỏa mãn 3 mục tiêu kể trên.
1.3.3 Tƣơng lai của năng lƣợng hạt nhân
Nhu cầu năng lượng ngày càng cao trong khi các nguồn năng lượng khác
đang dần bị cạn kiệt, năng lượng hạt nhân với lợi thế nguồn nhiên liệu dồi dào giá
thành sản suất thấp đó là những điều tất yếu cho việc phát triển điện hạt nhân và
cơng nghệ lị phản ứng.
Với việc sắp ra đời của lò phản ứng thế hệ thứ IV: lò phản ứng nhanh, lị
phản ứng tái sinh, cơng nghệ lị phản ứng dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc


17

cực kỳ an toàn đã mở ra một kỷ nguyên mới cho cơng nghệ lị phản ứng là an tồn,
kinh tế, … lò phản ứng gần như trở thành một phần khơng thể thiếu trong chính
sách về năng lượng của mỗi quốc gia.
Các dự báo dài hạn đều khẳng định sự phát triển mạnh mẽ của điện hạt nhân
trên phạm vi toàn cầu trong thế kỷ 21. Theo kết quả nghiên cứu năm 2003 của Viện
công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ), dự đốn đến năm 2050 cơng suất điện sẽ tăng
từ 370 triệu KW hiện nay lên 1 tỷ KW và cung cấp 19% tổng nhu cầu điện năng của
thế giới.
Tỉ lệ sử dụng điện hạt nhân của một số quốc gia được dự đốn ở thời điểm
đó được đưa ra ở bảng sau:

Bảng 1.3 Dự đoán tỉ lê sử dụng điện hạt nhân của một số quốc gia vào
năm 2050

Tên Quốc gia

Tỉ lệ điện hạt nhân

Pháp

85%

Hàn Quốc

70%

Nhật Bản

60%

Mỹ

50%

Indonesia

40%

Trung Quốc

30%

Việt Nam

20%

Thái Lan

20%

Malaysia

20%

Philipin

20%


18

Chương 2

LÝ THUYẾT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

2.1. Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân
2.1.1. Định nghóa về lò phản ứng hạt nhân
Lị 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 như là một nguồn của neutron nhanh và neutron nhiệt. Việc thiết kế,
xây dựng lò phản ứng và các phương phá phân tích lị được xem xét đơn thuần như
là một vấn đề cơng nghiệp. Hoạt động của lị 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”

2.1.2. Lý thuyết về va chạm của neutron
Neutron hoạt động trong vùng hoạt của lị phản ứng, ở đó neutron tương tác
với các nguyên tố, các thành phần cấu tạo của lõi, gây ra các phản ứng hạt nhân và
quan trọng nhất là sự phân hạch, neutron tương tác với hạt nhân theo hai quá trình
hấp thụ và tán xạ, tương tác của neutron với hạt nhân nguyên tử theo những cách
sau.

 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 monment
động lượng. những kết quả của năng lượng, tốc độ và góc tán xạ của neutron được
nghiên cứu một các cụ thể theo lý thuyết động lực học cổ điển.

 Tán xạ không đàn hồi
Với nhân bia là các nguyên tố nặng như: Sắt, Uranium, … khi một neutorn
có năng lượng khoảng 1MeV chúng có khả năng kích thích hạt nhân bằng cách
neutron truyền toàn bộ năng lượng ban đầu cho nhân bia, khi đó hạt nhân bia bị
kích thích nên trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra tia  .


19

 Sự bắt bức xạ
Khi hạt nhân hấp thụ neutron sẽ tạo nên một đồng vị mới của hạt nhân bia,
cũng như năng lượng ban đầu của neutron được chuyển hồn tồn cho hạt nhân bia.
Hạt nhân kích thích mới sẽ phát bức xạ, và trở về trạng thái bền vững.
Ví dụ:
59

27Co

+

1
0n

60
27Co

→

60
27Co

60
27Co

→

28N

27Co

→

60

60

+ 
+ 

(T1/2 = 10.5 Phút)
+ 



(T1/2 = 5.27 Năm)

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 khơng có trong tự nhiên, ứng dụng trong các
ngành cơng nghiệp lẫn y khoa, …
Ví dụ:
13
6C

+

1
0n

14
6C

→

7N

→

14

+

14
6C





+ 

(T1/2 = 5730 Naêm)

Hay:
8O

16

+

1
0n

8O

17

→

7N

16

17

→

8O

+

1
1p

+

 

(T1/2 = 5.37 Naêm)

 Sự bắt neutron sinh ra các đồng vị phân hạch
Khi neutron được bắn vào bia như U 238 hay Th 232 , neutron bị bắt vào hạt
nhân thu được sản phẩm của phản ứng hạt nhân là hạt nhân có khả năng gây ra phản
ứng phân hạch.
92U

238

92U

239

239
93Np

+

→

→

239
93Np

→

239
94Pu

232
90Th
90

1
0n

Th 233 →

+
91Pa

233

92U

239

+ 

(T1/2 = 23.5 Phút)



+ 
0n

1

+ 

→




(T1/2 = 2.3 Ngày)

233
90Th

(T1/2 = 23.3 Phút)


20

91Pa

233

92U

→

233

+ 

(T1/2 = 27.4 Ngaøy)



Các phản ứng này dược úng dụng trong cơng nghệ lị phản ứng và lị 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:
+


2

He 4

1

→

H2

+

4

1

H1 +

Be 9 →

6

C 12 +

n
n

2.1.3. Sự phân hạch hạt nhân
Qúa trình phân hạch là quá trình phân chia một hạt nhân như:
239
,
94Pu

235
92U

,

... thành nhiều mảnh phân hạch nặng có khả nặng có khả năng phóng xạ và

có số khối (A) và nguyên tử số (Z) thấp hơn nguyên tố ban đầu. Đồng thời sinh ra
một hay nhiều neutron mới, kèm theo đó là một năng lương rất lớn được sinh ra do
sự thay đổi về khối lượng của các hạt nhân trước và sau quá trình phân hạch. Sự
phân hạch của U 235 diễn ra theo các bước sau:
U 235 bắt neutron tạo nên một đồng vị mới của
0

n1 +

92

U 235

→

92

U 235 đó là U 236

U 236

ở trạng thái U 236 , có 16% của lượng U 236 sẽ phát gamma và có chu kỳ bán rã
T 1 / 2 = 2.4 x 10 7 năm, 84% còn lại của U 236 sẽ gây ra sự phân hạch. U 236 vỡ ra và
phân chia thanh các mảnh nhỏ, và phát một số neutron
92

U 236

→

56

Ba 139 +

36

Kr 94 + 3n + Q

Ngoài Ba và Kr sản phẩm của sự phân hạch cịn có thể là: I, Ce, Zr, v.v.

2.1.4. Sự hình thành năng lƣợng trong lị phản ứng
Năng lượng lò phản ứng hạt nhân thu được nhờ q trình phân hạch dây
chuyền của ngun tố phóng xạ. Neutron được sinh ra từ phản ứng phân hạch đầu


21

tiên lại tiếp tục va chạm vào các hạt nhân khác và xảy ra phản ứng phân hạch, và cứ
thế tiếp tục xảy ra.

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng phân hạch hạt nhân
Phản ứng phân hạch của U 235 trong lò phản ứng
n

+

92

U 235

→ X + Y +

kn + Q

Trong đó:
Q: là năng lượng của q trình phân hạch U 235 được tính tốn 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 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
Như vậy cứ một phản ứng ta thu được 167 MeV năng lượng dưới dạng nhiệt
năng. Do đó để thu được 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 U 235

nguyên chất cho 1Mw ngày. Ta cũng có thể làm tính toán tương tự với Pu 239 , U 233
và các nguyên tố phân hạch khác


22

2.2. Hệ số nhân k eff và sự tới hạn của lò phản ứng
Trong một phản ứng phân hạch k eff được gọi là hệ số phân hạch, hay thừa số
nhân của lị phảng ứng, k eff được tính bằng số neutron sinh ra từ phản ứng phân
hạch thứ i+1 và số neutron được sinh ra trong phản ứng phân hạch thứ i

k eff 

ni 1
ni

(2.1)

k eff <1: phản ứng dưới tới hạn, dẫn đến ngưng phản ứng dây chuyền

k eff =1: phản ứng tới hạn, điều kiện kiểm soát trong lò phản ứng
k eff >1: phản ứng trên tới hạn, tình trạng khơng kiểm sốt, trong bom hạt nhân và
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 U 235 hoặc Pu 239 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 neutron nhanh và chậm bị bắt gây ra phản ứng phân

hạch.
Được tính như sau.
Trong đó

 a : tiết diện hấp thụ tồn phần

 f : tiết diện hấp thụ phân hạch

η=

f

a

(2.2)


23

Bảng 2.1 Giá trị của  và  của các hạt nhân phân hạch
Đồng vị 

η slow

η fast

U 235

2.46

2.08

2.33

Pu 239

2.88

2.03

2.70

U 233

2.54

2.31

…

Ta thấy trong điều kiện tinh khiết của U 235 thì ta có chỉ số η = 2.08. thực tế
trong tự nhiên có hàm lượng rất nhỏ
Như đã nói, ngồi việc hấp thụ neutron gây ra phân hạch hay phản ứng bắt
neutron sau rất nhiều lần va chạm vẫn có thể thốt ra ngồi. Hệ số là hệ số thốt
neutron của lò phản ứng hạt nhan, là tỉ số giữ số neutron tạo thành
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 số neutron bị hấp
thụ bởi U 235 và tổng số neutron được hấp thụ bởi nhiên liệu lò phản ứng
như vậy hệ số nhân neutron sẽ được tính như sau:.

k eff = η£f

(2.3)

Điều kiện cần của lò phản ứng là k eff =1, tức lò đạt tới trạng thái tới hạn. điều
chúng ta cần làm là tính tốn các chỉ số thừa số nhân k eff để lò đạt tới trạng thái tới
hạn mong muốn.
Một ví dụ vớ nguồn U 233 khi đó theo bảng trên ta có  =2.31. một neutron
trong số này cần dùng để duy trì phản ứng dây chuyền trong lò phản ứng, và 1
neutron nữa cho việc hấp thụ của Th 232 với mục tiêu tái tạo lại lượng nhiên liệu
U 233 phân hạch. Như vậy theo lý thuyết đối với lị tái sinh thì số neutron cịn dư lại
khơng cần thiết cho lị phản ứng là: 2.31 - 1- 1 = 0.31 một cách khác, đối với nhiên
liệu khác nhau thì “Số neutron tích lũy” là được tính bằng  -2.