LUẬN văn sư PHẠM vật lý CÔNG NGHỆ lò PHẢN ỨNG DÙNG TRONG NHÀ máy điện hạt NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG DÙNG TRONG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ- CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS – Lê Văn Nhạn

Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên
Lớp: SP Vật Lý_CN K34
MSSV: 1087058

Cần Thơ, 2012


MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 1
2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI....................................................................... 2
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................... 3
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................... 3
5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ...................................................................... 3
6. CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI....................................... 4

Phần NỘI DUNG

Chương 1. VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN .................................................................................................. 5
1.1. Nhà máy điện hạt nhân....................................................................................... 5
1.1.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân...................................................... 5
1.1.2. Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân ................................................... 7
1.1.2.1. Cấu trúc ............................................................................................... 7
1.1.2.2. Vận hành nhà máy điện hạt nhân.......................................................... 8
1.2 Cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân ......................................................................... 9
1.3. Tình hình ứng dụng cơng nghệ điện hạt nhân trên thế giới ................................ 10
Chương 2. NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN ..................................... 15
2.1. Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân ................................................................ 15
2.2. Điều kiện phân hạch.......................................................................................... 16
2.3. Các sản phẩm phân hạch ................................................................................... 17
2.4. Các neutron của phản ứng phân hạch ................................................................ 19
2.5. Tiết diện của phản ứng phân hạch ..................................................................... 21
2.6. Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền. ...................... 22
2.6.1. Phản ứng dây chuyền. .................................................................................... 22
2.6.2. Phản ứng dây chuyền do neutron gây ra ......................................................... 22


2.6.3. Các neutron chậm........................................................................................... 22
2.6.4. Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền .......................................................... 23
2.6.5. Điều khiển phản ứng dây chuyền.................................................................... 24
Chương 3. CÁC THẾ HỆ LÒ PHẢN ỨNG.......................................................... 26
3.1. Thế hệ I ............................................................................................................ 26
3.2. Thế hệ II .......................................................................................................... 27
3.3. Thế hệ III ......................................................................................................... 27
3.4. Thế hệ IV ......................................................................................................... 29
3.5. Đặc trưng an toàn qua các thế hệ ...................................................................... 30
Chương 4. NHỮNG CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THƠNG DỤNG

4.1. Cơng nghệ PWR – lị phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor) ......... 31
4.1.1. Lịch sử phát triển của PWR............................................................................ 31
4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động...................................................................... 32
4.1.2.1. Cấu tạo................................................................................................. 32
4.1.2.2. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................... 37
4.1.3. Ưu và nhược điểm của công nghệ PWR ......................................................... 39
4.1.3.1 Ưu điểm................................................................................................. 39
4.1.3.2 Khuyết điểm........................................................................................... 39
4.2. Công nghệ BWR – lị phản ứng nước sơi ( Boiling Water Reactor ) .................. 40
4.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ..................................................................... 41
4.2.2. Ưu và nhược điểm của công nghệ BWR......................................................... 45
4.2.2.1. Ưu điểm................................................................................................ 45
4.2.2.2. Nhược điểm .......................................................................................... 45
4.3. Cơng nghệ lị nước nặng kiểu CANDU ............................................................. 45
4.4. Kết luận ............................................................................................................ 48
Chương 5. MỘT SỐ CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THẾ HỆ MỚI
5.1. Lò phản ứng hạt nhân cải tiến công nghệ Hàn Quốc - Apr1400......................... 49


5.1.1. Về kinh tế....................................................................................................... 49
5.1.2. Hiện trạng công nghệ APR1400 ..................................................................... 49
5.1.3. Đặc tính an tồn chủ yếu của cơng nghệ APR1400......................................... 50
5.1.4. Làm gì khi tai nạn xảy ra? .............................................................................. 52
5.2. Lị phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) ................................ 54
5.3 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR)....... 55
5.4 Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR)....................................... 56
5.5 Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse............................ 58
5.6 Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR............................................... 59
Chương 6. MỘT SỐ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ
VỀ CÔNG NGHỆ

6.1 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl....................................................... 61
6.2. Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Mile Island ................................................... 65
6.3. Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I của Nhật Bản ............................ 67
6.3.1. Vụ tai nạn....................................................................................................... 67
6.3.2. Nguyên nhân của vụ tai nạn ........................................................................... 69
6.4. Một số tai nạn điện hạt nhân khác ..................................................................... 70
Chương 7. CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM- NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN
7.1. Dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận......................................................... 72
7.2. Công nghệ VVER của Nga................................................................................ 73
7.2.1. Các thế hệ lò VVER cũ ................................................................................ 73
7.2.2. Các thế hệ VVER cải tiến .............................................................................. 74

Phần KẾT LUẬN ................................................................................................ 81


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 lồi 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 cơng nghệ lò phản ứng hạt nhân ra đời. Các cải tiến về cơng nghệ đã nâng cao
hơn độ an tồn 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 tồn và cơng 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 cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân nói chung và cơng nghệ lò phản ứng
sẽ được triển khai ở Việt Nam nói riêng.

SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Dun

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

2. 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 cơng nghê này và tình hình phát triển của nó
trên thế giới hiện nay.
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 cơng nghệ lị 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 cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân. Nhưng nhìn chung, có bốn
cơng nghệ được các quốc gia sử dụng nhiều nhất: Cơng nghệ lị phản ứng nước áp lực
(PWR),cơng nghệ lị phản ứng nước sơi (BWR),cơng nghệ lị nước nặng PHWR, cơng
nghệ lị nước nặng kiểu CANDU. Ngồi ra trong phần IV này cịn giới thiệu một số cơng
nghệ lị phản ứng hiệu quả khác. Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và
đề xuất một số cơng 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: Cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân ở Việt Nam – Nhà máy điện
hạt nhân Ninh Thuận

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Do khơng có điều kiện tham quan trực tiếp nhà máy điện hạt nhân nên tôi chỉ tìm
hiểu nhà máy điện hạt nhân thơng 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.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
4.1. Phương pháp thực hiện đề tài
Để thực hiện đề tài này, tơi đã hồn thành phần nghiên cứu của mình với phương
pháp sau: nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
4.2 Phương tiện thực hiện đề tài
- 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.

5. 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.

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 3

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

6. 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 sơi.
- PWR (Pressurized Water Reactor): Lị 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: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Phần NỘI DUNG


Chương 1. VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ LỊ 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 cơng 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 khơng 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 xun
đánh giá tình trạng hoạt động của lị một cách chính xác. Hơn nữa để tránh những thao
tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an tồn, lị phản ứng được thiết kế với hệ
thống an toàn hai lần , hệ thống khóa liên động.
Hệ thống an tồn 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 tồn.
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 khơng thể rút được.
Điều quan trọng tiếp theo là nếu phát sinh trục trặc bất thường thì cũng khơng để
sự cố lan rộng. Người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 lị phản ứng.
b. Có thể ngừng lị 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
lị 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 khơng thốt ra được bên ngồi 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 lị phản ứng thì hệ thống
phun hơi của thùng chứa lị sẽ làm lạnh và hóa lỏng hơi nước thốt ra thùng chứa lị, làm
giảm áp lực trong thùng lị và giảm thiểu nhanh chóng chất phóng xạ ở dạng khí.
- Lượng khí cịn 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 lị phản ứng để khơng thốt ra bên ngồi.

SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Dun

Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 khơng an tồn, ảnh hưởng đến
mơi 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 tồn 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 tồn do đó cần phải tính tốn tỉ mỉ lượng chất thải phóng xạ
sinh ra trong thời gian vận hành để lựa chọn địa điểm đủ rộng cho cất giữ chất khí.
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 lị 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 trị quan trọng tiếp theo là thiết bị
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 hồn ở vịng ngồi (cịn
được gọi là nước tuần hồn 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.
Ngồi ra cịn 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 lị đều được thơng 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 cịn phải có các hệ thống thiết bị an tồn (an tồn lị
phản ứng, an toàn nhà máy điện hạt nhân) mới đảm bảo cho nhà máy hoạt động an tồn
và có hiệu quả. Cịn phải có các thiết bị kiểm sốt độ nhiễm xạ thốt ra trong mơi trường
ngồi 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. Các thanh nhiên liệu khi đưa ra khỏi lò chứa các sản phẩm phân hạch có
độ phóng xạ cao phải được chơn cất (hoặc tái chế nếu có nhà máy chun dụng) đúng
quy trình kỹ thuật để đảm bảo an tồn cho mơi trường và khu dân cư quanh vùng. Trong
số các sản phẩm phân hạch có các nguyên tố phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn (hàng trăm
năm) lại càng cần có các biện pháp xử lý phù hợp như chôn ở độ sâu lớn, trộn với xi
măng trước khi chôn…
Trong quá trình phát triển điện hạt nhân, vấn đề an tồn và cơng nghệ ln đóng
một vai trị hết sức quan trọng, mang tính quyết định đối với sự thành cơng của chương
trình điện hạt nhân.

SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Dun

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

1.2 Công nghệ lị phản ứng hạt nhân
Cơng nghệ lị phản ứng là yếu tố đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao cơng
suất và đảm bảo an tồn cho việc vận hành nhà máy điện hạt nhân.
Hiện nay, cơng nghệ lị 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 – cơng 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 . 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 cơng nghệ như sau: Lị phản ứng nước áp lực: 60% (Pressurired
Water Reactor – PWR+VVER), kế theo đó là Lị phản ứng nước sơi: 21% (Boiling Water
SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Duyên

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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, cơng 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 tồn hơn, lượng chất
thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân). Việc
nghiên cứu phát triển công nghệ NMĐHN được tập trung theo 4 hướng sau với đầu tư
nghiên cứu trung bình tồn thế giới khoảng 2 tỷ USD /năm:
- Hồn thiện cơng nghệ các NMĐHN hiện hành. Các lị nước nhẹ cơng 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 tồn thụ động.
- Nghiên cứu phát triển các lị có cơng 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 tồn hơn, kinh tế hơn, ít chất thải phóng xạ hơn và giảm nguy cơ phổ biến
vũ khí hạt nhân.
Mặc dù có nhiều cơng nghệ lị 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 cơng 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 lị phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả 6 lò phản ứng của
Đài Loan - Trung Quốc).

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 10


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

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Mexico

2

1300

Hà Lan

1

482

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

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Số lò phản ứng dừng dài hạn:
Quốc gia

Số lượng

Tổng công suất thuần
(MW)

Canada

4

2726

Nhật

1

246

Bảng 2 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo quốc gia.
Theo loại lị:
Tổng cơng suất thuần
Loại lị

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: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Số lò dừng dài hạn:
Tổng cơng suất thuần
Loại lị

Số lượng
(MW)

FBR

1

246

PHWR

4

2726

Tổng

5

2972

Bảng 3 . Thống kê số lị phản ứng hạt nhân theo loại cơng nghệ

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Chương 2. NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN
2.1. 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 (hình 1). 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 tồn dạng hình cầu của
hạt nhân, là dạng có thế năng cực tiểu.

Hình 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
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 lị phản ứng. Khi hấp
SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Dun

Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

thụ neutron, các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th 233, 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. Cịn 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.

2.2. 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 tồn 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





W  0,18. A 3 5,2  0,117( Z 2 / A) MeV

(1)

Trong đó Z là điện tích, A là số khối của hạt nhân bị phân hạch. Khi(Z2/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 khơng những do hấp thụ năng lượng của neutron mà cịn có
thể phân rã một cách tự phát.
Thực nghiệm cho thấy, các hạt nhân

235

U,

239

Pu có thể vỡ khi hấp thụ neutron có

năng lượng nhỏ (0,001 đến 0,1 eV). Còn các hạt nhân

238

U 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,
cịn 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.
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp
Với

238

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

U 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

(2)

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

235

U, 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 hồn Mendeleev.
E ≈ 200 MeV được gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân urani. Điều này có
nghĩa là 1 kg

235

U khi xảy ra phản ứng phân hạch, tỏa ra một năng lượng tương đương

với 2000 tấn xăng, hoặc khoảng 26000 tấn than đá.

2.3. Các sản phẩm phân hạch
Xét quá trình phân hạch U235 do các neutron nhiệt. Q trình này khơng 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
SVTH: Đỗ Tơn Nữ Kim Dun

Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 đốn của mẫu giọt vì một chất lỏng thông thường được chia thành hai phần
bằng nhau. Tính chất khơng đối xứng trong phân hạch hạt nhân được giải thích trong
khn khổ mẫu vỏ do sự ưu tiên hình thành các hạt nhân với vỏ chốn đầy chứa 50 và 82
neutron.

Hình 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

 Co 140 66



 Ba 140 12


 La 140 40

 Ce140
sec
sec
,8d
, 2h

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

(bền)

Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 cịn có các lượng tử γ tức
thời, các hạt β do phân rã, các lượng tử γ do phân rã, các neutrino và neutron.
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

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

2.4. 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 trị quan trọng trong phản ứng dây chuyền. Trong mỗi phân
hạch trung bình xuất hiện ν neutron (ν 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:
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

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 4. Số trung bình các neutron phân hạch v
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.

Hình 6. 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.

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 20


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

2.5. Tiết diện của phản ứng phân hạch
Tiết diện phản ứng phân hạch σf phụ thuộc năng lượng neutron giống như tiết
diện chiếm phóng xạ. Trong miền neutron nhiệt, tiết diện phân hạch U235 có dạng gần vối
quy luật

1
, trong miền năng lượng lớn hơn có các đỉnh cộng hưởng. Đối với Pu239 có


mặt cộng hưởng trong miền neutron nhiệt và tiết diện khác nhiều với quy luật

1
(hình 3).


Đối với tất cả các hạt nhân phân hạch tiết diện giảm cỡ hai bậc khi chuyển từ neutron
nhiệt sang neutron nhanh. Tiết diện phân hạch của các hạt nhân Th232 và U238 có ngưỡng
bằng 0 trong miền năng lượng nhỏ hơn 1MeV rồi sau đó tăng nhanh đến giá trị cỡ 10-24
cm2 và tăng dần theo năng lượng (hình 4).

Hình 3. Tiết diện phân hạch U235 và Pu239 (đường gạch nối- miền cộng hưởng).

Hình 4. Tiết diện phân hạch trong miền neutron nhanh.
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 21