CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU TRONG HÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NÔI
Viện Kỹ thuật hạt nhân – Vật lý môi trường

Thuyết trình
CHU TRÌNH
NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN

Nhóm trình bày: Nhóm
số 7

GVHD: ThS. Lê Anh Đức


Chu trình nhiên liệu
hạt nhân
▶ A. Làm giàu Urani
▶ B. Sản xuất nước nặng
▶ C. Chu trình Thori
▶ D. Transmutation (Sự chuyển đổi)
▶ E. Lò phản ứng muối nóng chảy


Chu trình nhiên liệu
hạt nhân
▶ A. Làm giàu Urani
▶ B. Sản xuất nước nặng
▶ C. Chu trình Thori
▶ D. Transmutation (Sự chuyển đổi)
▶ E. Lò phản ứng muối nóng chảy

A. Làm giàu Urani
• Nguồn Urani tự nhiên:
• 99,3% U-238 và 0,7% U-235.
• Urani trong nguyên liệu phân rã
• hàm lượng U-235 cao hơn
• độ làm giàu cho lò phản ứng điện: 1-5%
(đối với là phản ứng nghiên cứu từ 10-20%)
• Tính chất hóa học của các đồng vị: giống nhau
• Tách dựa trên tính chất vật lý: khác nhau về khối
lượng hoặc tính chất hạt nhân


A. Làm giàu Urani
Các giai đoạn làm giàu
• Các giai đoạn (bước, cấp)
- kết nối nối tiếp
• Các ô - kết nối song song
• Nguồn cấp (F),
sản phẩm (P),
chất thải (W)
• Dòng giàu, dòng nghèo
• Dòng chảy lí tưởng
x'n-1 = x"n+1


A. Làm giàu Urani
 


A. Làm giàu Urani

 


A. Làm giàu Urani
•

Separative Work Unit (SWU)

• SWU là số phân tách thực hiện trong quá trình làm
giàu Urani
• Ví dụ: lò nước nhẹ công suất 90MW: 23 tấn Urani
làm giàu 3%/1 năm ~ 100.000 kgSWU/1 năm


A. Làm giàu Urani
Phương pháp thống kê
•

Hiệu quả làm giàu trong mỗi giai đoạn phụ thuộc
vào khối lượng khác nhau của hạt nhân

•

U234/U235 : tính chọn lọc thấp

•

U235/U238 : tính chọn lọc cao

•

Các giai đoạn tách cần được kết nối

•

Khuếch tán khí, ly tâm khí,…


A. Làm giàu Urani
Ly tâm khí
• Máy ly tâm tốc độ cao:
• 20 000 - 25 000 vòng/phút
• Vận tốc quay lên tới vài trăm m/s
• Áp suất thấp (chân không)
• Sự rung, rò rỉ, hiệu ứng tên lửa, sự xuống cấp của
các bộ phận quay
• giải phóng khí UF6


A. Làm giàu Urani
Ly tâm khí


A. Làm giàu Urani
Ly tâm khí


A. Làm giàu Urani
Khuếch tán khí

A. Làm giàu Urani
• Ví dụ tổ chức làm giàu Urani
bằng khuếch tán khí ở châu Âu
(EURODIF)
• 10.8 triệu SWU/mỗi năm
• Có 70 tổ máy, mỗi tổ 20 giai
đoạn
• Vận hành 24/7
• Tiêu thụ 3000 MW điện
• Tháp làm mát cho việc làm mát
khí UF6 có nhiệt độ và áp suất
cao


A. Làm giàu Urani
Quá trình họn lọc đồng vị
• Chọn lọc đồng U-235
• Sử dụng ít giai đoạn
• Các phương pháp: ICR, AVLIS, SILEX…


A. Làm giàu Urani
AVLIS (Phân tách đồng vị bằng laser)
• Sự hấp thụ photon của U-235 và U-238 là khác nhau
• Sử dụng bước sóng thích hợp, chọn lọc U-235
• U-235 đã ion hóa được thu góp về các điện cực
• U-238 trung hòa được tích trữ trên đĩa collector

Mô hình AVLIS (tách đồng vị bằng

Chu trình nhiên liệu
hạt nhân
▶ A. Làm giàu Urani
▶ B. Sản xuất nước nặng
▶ C. Chu trình Thori
▶ D. Transmutation (Sự chuyển đổi)
▶ E. Lò phản ứng muối nóng chảy


B. Sản xuất nước nặng
Nước nặng
• Deuteri
• Tỉ lệ của deuteri với hidro là gần 1/6000
• Làm giàu là cần thiết
• Từ 0.01% lên đến 99+%
Tính chất vật liệu

H2O

Quãng chạy tự do trung bình (cm) 5.74
Tiết diện hấp thụ neutron (barn) 0.66

D2O

Graphite

10.93 19.7
0.0026 0.0045

B. Sản xuất nước nặng
Điện phân

18 ống điện phân ở Vemork, Na Uy


B. Sản xuất nước nặng
Chưng cất

Mô hình làm giàu nước
nặng
bằng phương pháp chưng


Chu trình nhiên liệu
hạt nhân
▶ A. Làm giàu Urani
▶ B. Sản xuất nước nặng
▶ C. Chu trình Thori
▶ D. Transmutation (Sự chuyển đổi)
▶ E. Lò phản ứng muối nóng chảy


C. Chu trình của Thori

Chuỗi phản ứng
của Urani

Chuỗi phản
ứng


C. Chu trình của Thori
Thori
•

Thori phổ biến hơn so với Urani
• Dễ khai thác và sản xuất
• Quặng tự nhiên: monazite, khai thác lộ thiên (về
cơ bản, thori chỉ là sản phẩm phụ).
• Hiện tại, số lượng lớn Thori đã được chiết xuất và
sẵn sàng để sử dụng
• Tạo ra ít chất thải phóng xạ

• Có thể được sử dụng trong phân rã U-233
• Tiết diện hấp thụ nhiệt của Th-232 lớn hơn 3 lần so với
của U-238: 7,4 barn > 2,7 barn
• Dễ dàng chuyển thành U-233, hơn là U-283 thành Pu-239


C. Chu trình của Thori
Thori
• Tính chất của thori dioxide (ThO2) có ưu điểm:
• Độ ổn định cao hơn UO2
• Sản phẩm phân hạch ít hơn 10 lần so với UO2
• Trong quá trình đốt nhiên liệu, Pu và kim loại hiếm họ
Actini tạo thành ít hơn nhiều
• Có hoạt độ phóng xạ thấp hơn so với UO2, nên việc lưu

trữ tạm thời và lưu trữ lâu dài dễ dàng hơn
• ThO2: có điểm nóng chảy cao hơn (3550 oC)
• Ít tan hơn trong axit nitric
• Chu kỳ bán rã của Pa-233 dài hơn 10 lần (~27 ngày) so
với chu kỳ bán rã của Np-239 (2,35 ngày). Vì vậy, nó cần
thời gian làm mát lâu hơn, khoảng 1 năm


Chu trình nhiên liệu
hạt nhân
▶ A. Làm giàu Urani
▶ B. Sản xuất nước nặng
▶ C. Chu trình Thori
▶ D. Transmutation (Sự chuyển đổi)
▶ E. Lò phản ứng muối nóng chảy