Tải bản đầy đủ

Đề tài Vấn đề an toàn bức xạ trong lò phản ứng hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

Giảng viên hướng dẫn : Thầy Trương Trường Sơn
Sinh viên thực hiện: Lại Thị trúc Phương
Võ Thị Thanh Uyên
Huỳnh Chí Dũng
Trần Bá Tín
Thành phố Hồ Chí minh
Tháng 11 năm 2010
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Mục lục
I. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 2
II. Cấu tạo lò BWR 7
III. Cấu tạo lò PWR 12
IV. Cấu tạo của lò CANDU 18
Tài liệu tham khảo 23
I.
I.
Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

I.1. Thế hệ lò phản ứng hạt nhân đầu tiên
Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất được xây dựng vào những năm 1955-
1965, tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vương
quốc Anh bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những
năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport của Mỹ; Dresden-1, Calder Hall-1,
Magnox của Anh hay UNGG của Pháp. Phần lớn chúng đều đã hoặc đang được
tháo dỡ do đã trở nên lỗi thời không còn hiệu quả cao và mức đảm bảo an toàn
thấp. Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được
phát triển để sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu có
công suất khoảng 5.000 KW.
I.2. Lò hạt nhân thế hệ II
Hệ thống lò hạt nhân thế hệ II bắt đầu được vận hành vào những năm
1970. Lò thế hệ II gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water Reactor – lò nước
áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò nước sôi); VVER và RBMK (lò
năng lượng nước của Nga); CANDU nước nặng (của Canada, Ấn Độ); AGR
Đa số được gọi là các lò nước nhẹ (LWR) do nó được sử dụng các phương
pháp chủ động truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện
theo lệnh. Một số hệ thống còn được thiết kế vận hành theo kiểu thụ động làm
Trang 2
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
việc khi có người điều khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng. Đa số nhà máy điện
hạt nhân trên thế giới đang vận hành theo công nghệ này và 2/3 số nhà máy
đang xây dựng cũng theo mô hình thế hệ thứ II.
Hình 1. Nhà máy Điện hạt nhân Tricastin, miền Nam nước Pháp
I.3. Lò hạt nhân thế hệ III
Các lò chuyển tiếp thế hệ III được phát triển trong những năm 1990 với
ưu thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu
được cải tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn, độ an toàn cao hơn. Nó vận
hành mà không cần đòi hỏi sự can thiệp của người vận hành. Thêm vào đó, các
thiết kế trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng
dưới tác động của các sự cố đột ngột xảy ra mà vẫn cho hiệu suất điện cao hơn.
Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng thế hệ III được xây dựng đầu tiên
ở Nhật Bản. Phần Lan là nước duy nhất ở EU đang xây dựng một nhà máy điện
hạt nhân thế hệ III EPR, mua của Pháp với giá ban đầu dự toán 2,5 tỷ Euro, sau
đó, vì lý do an toàn phải chấp nhận tăng giá lên 4 tỷ Euro và chậm tiến độ 3
năm. Ngoài ra, hiện chỉ có Điện lực Pháp có dự kiến đặt mua một số lò thế hệ
III EPR để thay thế các lò hết thời hạn vận hành vào khoảng các năm 2017-
2022.
Trang 3
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân


I.4. Lò hạt nhân thế hệ III+
Là thế hệ lò phản ứng được trang bị những cải tiến về tính kinh tế và mức
độ an toàn cao hơn thế hệ III.
Ưu điểm của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III so với các thế hệ trước là
khả năng xảy ra sự cố ít hơn, khả năng sinh lãi lớn hơn do công suất được tăng
lên tới 1600 MW và sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn. Mỗi lò phản ứng thế hệ
III sẽ giúp tiết kiệm 2 tỉ m
3
khí đốt mỗi năm và góp phần giảm tới 11 triệu tấn
khí thải CO
2
so với việc sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống. Ngoài ra giá
thành sản xuất điện bằng lò này rẻ hơn 30-50% so với sản xuất điện tại các nhà
máy nhiệt điện.
Nhưng mặc dù các lò thế hệ III mới ra đời, nó lại được nhiều chuyên gia
xem như đã lỗi thời vì cùng một kỹ thuật với các lò PWR. Giá thành xây dựng
của các loại lò này thường cao hơn các loại thế hệ II khoảng 1,5 đến 2 lần (đơn
giá cho 1 KW công suất khoảng 6.000 USD). Và chính điều đó đã thúc đẩy các
nhà khoa học tiến tới các chương trình nghiên cứu về thế hệ lò phản ứng mới
cho hiệu quả tối ưu hơn.
I.5. Lò hạt nhân thế hệ IV
Lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV đang được 10 nước chung sức nghiên cứu
trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề
xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò Neutron nhanh, 3 lò Neutron nhiệt) đã
được lựa chọn.
Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò
phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu
chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế
chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử.
Vì đang còn trong thời kỳ phôi thai, nên phần lớn các lò này, trên lý
thuyết là an toàn hơn, nhưng chưa thể xuất hiện trên thị trường trước những
năm 2035-2040, ngoại trừ một phiên bản của lò phản ứng nhiệt độ rất cao
(VHTR) và được gọi là Nhà máy hạt nhân thế hệ mới (NGNP) sẽ được hoàn
thành trong năm 2021.
Trang 4
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
I.6. Các công nghệ lò phản ứng hạt nhân đang được sử dụng phổ
biến
Nói về công nghệ lò phản ứng thì hiện nay trên thế giới có 3 loại chủ yếu
gồm công nghệ lò nước áp lực (PWR) chiếm 59,5%; công nghệ lò nước sôi
(BWR) chiếm 20,8% và công nghệ lò nước nặng (PHWR) chiếm 7,7%.
I.6.1. Công nghệ lò nước áp lực PWR
Phần lớn các nhà máy điện hạt nhân đều sử dụng công nghệ này. Trong lò
áp lực PWR, nước làm mát chính được bơm dưới áp lực cao tới lò phản ứng hạt
nhân. Sau đó, nước được nhiệt lượng sinh ra làm nóng lên và chuyển tới máy
phát điện hơi nước. Nó chủ yếu được thiết kế cho các nhà máy điện hạt nhân
trên tàu ngầm và nó được dùng trong thiết kế nhà máy điện thương mại đầu
tiên là nhà máy điện hạt nhân tại Shippingport (Mỹ).
PWR được dùng chủ yếu trong thế hệ lò phản ứng II.
I.6.2. Lò phản ứng nước sôi BWR
Đây là loại lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện phổ biến thứ hai sau loại lò
PWR. BWR được thiết kế bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Gereral
Electric vào giữa thập niên 1950.
BWR sử dụng nước khử khoáng như là một chất làm mát và điều tiết
nơtron. Nhiệt năng được tạo ra bởi sự phân nhiệt hạt nhân trong lõi lò phản ứng
và đun sôi nước để nguội để sản xuất hơi nước. Hơi nước sẽ khởi động tuabin
và sau đó lại được làm mát để trở về dạng nước lỏng. Nước này lại được
chuyển tới lò phản ứng hạt nhân theo một vòng chu kỳ chuyển đổi liên tục như
vậy.
I.6.3. Lò phản ứng nước nặng PHWR
Các lò phản ứng dạng PHWR sử dụng nước nặng (đơteri oxit D
2
O) để
làm mát và điều phối nhiệt lượng. Nước nặng được giữ dưới áp lực để làm
nóng mà không cần đun sôi. Chi phí sản xuất bằng nước nặng cao hơn so với
chi phí sản xuất bằng nước nhẹ nhưng nó lại cho phép các lò phản ứng có thể
hoạt động mà không có cơ sở làm giàu nhiên liệu (làm giàu uranium). Nó được
Trang 5
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
xem như là phương thức để nâng cao năng lực cho các lò phản ứng khi sử dụng
các chu trình nhiên liệu thay thế.
Nó được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân sản xuất điện hạt nhân từ
nhiên liệu hạt nhân. Nhà máy điện hạt nhân nước nặng đầu tiên trên thế giới là
nhà máy điện hạt nhân CANDU của Canada được xây dựng bởi AECL.
 Tương lai và rủi ro cho ngành điện thế giới
Theo tính toán của Cơ quan Năng lượng Thế giới, tới năm 2050 nhu cầu
sử dụng điện của thế giới sẽ tăng lên gấp 3 lần so với hiện tại. Mức nhu cầu
tiêu thụ ghê gớm đó không thể được đáp ứng đủ bằng các nguồn “năng lượng
mới” như gió, mặt trời mặc dù các nguồn này có thể đóng vai trò quan trọng ở
một số vùng nào đó.
Bên cạnh đó, các nguồn nguyên liệu truyền thống để sản xuất điện như
than và nước đang ngày càng trở nên cạn dần do sự khai thác quá mức của con
người và biến đổi khí hậu làm các nguồn nước trở nên cạn dần. Lượng khí thải
lớn của các nhà máy này thải ra hàng ngày phá hoại bầu khí quyển Trái đất
cũng đang làm đau đầu các tổ chức môi trường thế giới.
Những nhà máy điện hạt nhân sẽ là phiên bản thay thế hiệu quả cho nhu
cầu điện của thế giới trong tương lai gần bởi khả năng cung cấp nguồn điện
năng dồi dào, không thải khí độc hại vào bầu khí quyển, công nghệ ngày càng
phát triển giúp tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sản xuất. Mức độ an toàn
ngày càng được nâng cao. Các nhà máy điện hạt nhân sẽ giúp tiết kiệm được
2,5 tỷ tấn CO
2
thải vào khí quyển mỗi năm. Lượng chất thải của nó thải ra cũng
rất nhỏ chỉ chiếm 1% so với tổng lượng chất thải của ngành công nghiệp sản
xuất điện.
Mặc dù đem lại những lợi ích vô cùng to lớn như vậy nhưng thế giới vẫn
dè dặt trong việc phát triển rộng rãi quy mô của các nhà máy điện hạt nhân ở
mọi nước. Bởi nguồn năng lượng lớn của nguyên tử cũng là sự ẩn chứa một sức
huỷ diệt khủng khiếp. Chỉ cần một lượng nhỏ chất phóng xạ bị rò rỉ thôi thì hậu
quả của nó cũng không thể lường hết được.
Trang 6
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
II.
II.
Cấu tạo lò BWR
Cấu tạo lò BWR
II.1. Hệ thống bình lò phản ứng
Hệ thống bình lò phản ứng bao gồm một
bình áp suất và các linh kiện bên trong của nó:
một lõi lò bao gồm các bó nhiên liệu và các
thanh điều khiển, các thiết bị tạo hơi nước: máy
tách hơi nước và máy sấy hơi nước ở phần trên
của bình, thiết bị điều khiển năng lượng lò phản
ứng: ống dẫn thanh điều khiển và bộ phận thao
tác thanh điều khiển ở phần thấp hơn của bình.
Các bộ phận này bao quanh lõi lò và kết hợp với
chất lỏng làm nguội các thiết bị của lõi lò.
II.2. Hệ thống thanh nhiên liệu
Nhiên liệu dùng trong lò phản
ứng lò nước sôi BWR là Uranium
được làm giàu 3%. Uranium được nén
lại từng viên nhỏ Uranium dioxide
hình trụ, mỗi viên cao khoảng 0,5 inch
(1,27 cm), đường kính 0,487 inch
(1,24 cm). Các viên UO
2
được xếp
chồng lên nhau trong một thanh nhiên
liệu được làm bằng một hợp kim đặc
biệt của Zirconium được gọi là
Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu
được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron. Những thanh nhiên liệu được thiết
kế nhằm ngăn chặn sự rò rỉ các sản phẩm phân hạch và dẫn nhiệt dễ dàng. Các
thanh này gộp lại thành một bó nhiên liệu, mỗi bó gồm 49 thanh nhiên liệu và
trong lò phản ứng có 368 bó nhiên liệu. Như vậy trong một lò phản ứng có
18032 thanh nhiên liệu chứa 178145 pounds(80975 Kg) UO
2
. Nhiệt trung bình
Trang 7
Hình 2. Hệ thống bình
lò phản ứng
Hình 3.Hệ thống thanh nhiên liệu
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558
o
F (292
o
C).(số liệu của lò
BWR Vermont Yankee,năm 1972)
II.3. Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát)
Các thanh điều khiển làm bằng các vật liệu hấp thụ neutron: Bo-cacbua
(B
4
C) bột và các mảnh Hafnium (Hf) hấp thụ neutron. Đối với những thanh
điều khiển thao tác thường xuyên được làm bằng chất Hf có tuổi thọ cao. Các
thanh này đóng vai trò điều tiết neutron cho phản ứng phân hạch, từ đó kiểm
soát năng lượng sinh ra trong lõi lò phản ứng. Các thanh này có dạng hình chữ
thập được chèn vào giữa các bó nhiên liệu. Chính nhờ dạng hình chữ thập mà
mỗi thanh điều khiển kiểm soát được 4 bó nhiên liệu.
Việc định vị (thu hồi hay chèn) các thanh kiểm soát là phương pháp thông
thường để kiểm soát năng lượng trong lò phản ứng nước sôi BWR (ngoài ra
còn có phương pháp thay đổi lưu lượng nước qua lõi lò). Thanh điều khiển
được bộ phận thao tác thanh điều khiển đưa từ dưới lên, vì khi sôi bọt nước sẽ
thoát ra ở phần trên lò làm cho mật độ năng lượng trượt về phía dưới. Khi các
thanh kiểm soát được thu hồi làm giảm sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm
soát và tăng trong nhiên liệu, tốc độ của phản ứng phân hạch tăng dẫn đến tăng
năng lượng lò phản ứng. Khi các thanh điều khiển được chèn vào làm tăng sự
hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và giảm trong nhiên liệu dẫn đến giảm
tốc độ phản ứng phân hạch do đó năng lượng sinh ra trong lò phản ứng giảm.
Trong trường hợp có sự cố xảy ra, các thanh điều khiển được đóng lại hoàn
toàn để chấm dứt nhanh chóng quá trình phân hạch diễn ra trong lò. Một số lò
phản ứng nước sôi BWR đầu tiên và những đề xuất cho lò ESBWR thiết kế chỉ
sử dụng những lưu thông tự nhiên với thanh điều khiển được định vị để kiểm
soát năng lượng lò phản ứng từ 0% tới 100% vì chúng không có những hệ
thống tuần hoàn lò phản ứng. Trong quá trình hoạt động, các thanh điều khiển
bị ăn mòn nên cần được thay thế, vì chính sự hấp thụ neutron đã làm thay đổi
cấu tạo hóa học của thanh. Ví dụ: thanh điều khiển sử dụng vật liệu Boron-10
sẽ bị biến đổi khi nó hấp thụ một neutron theo phản ứng
Trang 8
10 7 4
5 3 2
B n Li He
+ → +
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
II.4. Nồi áp lực lò phản ứng(RPV)
Bình áp suất được cấu tạo gồm 3 bộ phận: Một ống hình trụ lớn, nắp bình
và đáy bình áp suất. Vỏ bình được cấu tạo bởi các lớp thép làm bằng những
hợp kim khác nhau. Đường kính bên trong của ống hình trụ là 17,1 feet
(5,21m) và chiều cao của bình áp suất là 63,1 feet (19,2 m), ống hình trụ bao
gồm các lớp lót dầy khoảng 5 inch (13cm) được ghép với nhau; ống hình trụ,
phần đỉnh và phần đáy nặng 757,17 Pound (344,168 kg). Bình lò áp suất được
bọc trong một tòa nhà bảo vệ được thiết kế để vẫn còn nguyên vẹn cho dù bình
lò phản ứng bị vỡ hoặc ống dẫn hơi nước bị vỡ và nó đủ chắc chắn để giữ nước
đầy bên trong cho tới khi nước tràn lên tới các ống bọt nước đặt phía trên lõi lò
phản ứng.
II.5. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng
Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng gồm các ống dẫn và các bơm tuần
hoàn, có vai trò loại bỏ các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm ăn mòn và
những tạp chất ra khỏi nước trước khi cho nước này quay trở lại lõi lò phản
ứng. Bơm làm sạch nước lấy nước từ hệ thống tuần hoàn nước dự trữ trong lõi
lò và nước ở phần đáy bình lò đưa qua bộ phận chuyển nhiệt để làm nguội
Trang 9
Hình 4. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
dòng. Sau đó, nước được chuyển tới bộ phận lọc để làm sạch. Sau khi được làm
sạch, nước được đưa quay trở lại bình lò phản ứng thông qua hệ thống ống dẫn
nước cung cấp.
II.6. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn
Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn. Nước sẽ được bơm
từ ngoài vào một bình chứa. Sau đó nhờ nhừng chiếc bơm tuần hoàn nước sẽ
được dẫn tới lõi lò phản ứng. Một phần nước sẽ được chuyển vào hệ thống
chứa nước dự trữ tuần hoàn, một phần sẽ được phun vào lõi lò nhờ những chiếc
bơm cao phía trên lõi, nước sẽ được dẫn qua các bó nhiên liệu. Tại đây, nước
đóng vai trò là chất lỏng làm chậm neutron, cung cấp neutron chậm cho phản
ứng phân hạch, đồng thời nó cũng đóng vai trò lấy nhiệt của các thanh nhiên
liệu. Nhờ nhiệt tỏa ra trên bề mặt các thanh nhiên liệu do phản ứng phân hạch
gây ra nước được đun sôi. Dưới áp lực của lò, hơi nước sẽ được chuyển tới
máy tách hơi nước nằm phía trên lõi, sau đó đi qua máy làm khô hơi nước. Hơi
nước này sẽ được dẫn qua một hệ thống ống dẫn tới tuabin và làm quay tuabin.
Sau khi qua tuabin nước được làm sạch và bơm trở lại lõi lò phản ứng. Phần
nước còn lại trong lõi lò có nhiễm các sản phẩm phân hạch sẽ được lấy ra từ
đáy lò bởi các bơm làm sạch và chuyển đến bình lọc. Ở đây nước được làm
nguội và sau đó được chuyển lại lò. Ngoài ra còn có một hệ thống ống dẫn
nước làm nguội tuần hoàn.
II.7. Hệ thống các bơm tuần hoàn
Hệ thống các bơm tuần hoàn bao gồm các bơm tuần hoàn gắn trên hệ
thống ống dẫn để bơm nước từ ngoài vào và các bơm tuần hoàn đặt trong lò
phản ứng. các bơm tuần hoàn điều khiển lưu lượng nước đi vào lõi lò phản ứng
từ đó điều chỉnh công suất của lò phản ứng. đây là phương pháp thông thường
và thuận tiện cho việc kiểm soát năng lượng lò phản ứng.
Khi rút hoàn toàn các thanh nhiên liệu ra khỏi các bó nhiên liệu, việc thay
đổi lưu lượng nước qua hệ thống tuần hoàn lò phản ứng bằng việc thay đổi tốc
độ của các bơm tuần hoàn có thể làm thay đổi năng lượng lò phản ứng từ 30-
Trang 10
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
100%. Khi dòng chảy qua lõi lò tăng lên, hơi nước thoát ra khỏi lò nhanh hơn,
lượng nước lỏng trong lõi tăng. Sự điều tiết neutron tăng, các thanh nhiên liệu
càng hấp thụ được nhiều neutron chậm, dẫn đến năng lượng lò phản ứng tăng.
Khi dòng nước chảy qua lõi lò giảm, trong lõi vẫn còn một lượng hơi nước,
lượng nước lỏng trong lõi giảm, sự điều tiết neutron trong lõi giảm, nhiên liệu
hấp thụ được ít neutron chậm dẫn đến năng lượng lò phản ứng giảm. như vậy tỉ
số giữa nước và hơi nước tăng sẽ làm tăng sự điều tiết neutron làm tăng năng
lượng sinh ra trong lõi lò.
II.8. Tuabin hơi nước
Hơi nước được tạo ra trong lõi lò phản ứng truyền qua máy tách hơi nước
và những thanh sấy khô đặt phía trên lõi và sau đó đi thẳng tới tuabin, là một
bộ phận trong hệ thống lò phản ứng. Dưới sức ép nước sẽ được bơm tới tuabin,
hơi nước truyền qua van và chỉa vào các cánh quạt của tuabin làm quay tuabin.
Tuabin được gắn với động cơ máy phát điện, khi tuabin quay đồng thời làm
quay động cơ máy phát điện. Sau khi đi qua tuabin hơi nước sẽ được ngưng tụ
và bơm trở lại bình áp suất. Và chu trình lại tiếp tục. Vì hơi nước sau khi thoát
ra khỏi lõi lò thường nhiễm nuclit phóng xạ nên tuabin phải được bảo vệ trong
suốt quá trình hoạt động. Phần lớn những tia phóng xạ trong nước chỉ tồn tại
trong một thời gian rất ngắn (chủ yếu là N-16 có chu kỳ bán rã là 7 giây), nên
thành tuabin phải được bảo trì ngay sau khi lò phản ứng ngưng hoạt động.
II.9. Hệ thống an toàn lò phản ứng
Cũng giống như lò phản ứng nước áp lực, lõi lò phản ứng BWR tiếp tục
sản xuất nhiệt từ việc phân rã phóng xạ sau khi phản ứng phân hạch đã ngừng,
có thể gây ra một sự cố làm hư hỏng lõi. Trong trường hợp tất cả các hệ thống
an toàn đều thất bại và lõi lò phản ứng không nhận được nước làm nguội. Cũng
giống như lò nước áp lực, lò nước sôi có một hệ số chân không âm, do đó
lượng neutron (và nhiệt) thoát ra khỏi lò phản ứng giảm khi tỉ lệ hơi nước và
nước bên trong lò phản ứng tăng. Tuy nhiên không giống như lò PWR, không
chứa hơi nước trong lõi lò phản ứng sự tăng đột ngột áp suất hơi trong lò BWR
Trang 11
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
(ví dụ như gây ra bởi việc khởi động van đường ống cô lập hơi nước với lò
phản ứng (MSIV)) gây ra sự giảm đột ngột tỉ lệ hơi nước với nước ở thể lỏng
bên trong lò phản ứng. Điều đó dẫn đến sự tăng neutron điều tiết, từ đó làm
tăng sản lượng điện của lò phản ứng. Điều này được gọi là “áp suất tức thời”.
Do đó lò BWR được thiết kế đặc biệt để chống lại áp suất tức thời đó, có một
“áp lực đàn áp” loại thiết kế có lỗ thông hơi áp lực quá cao sử dụng van áp suất
làm chốt an toàn được đặt bên dưới bề mặt của bình chứa chất lỏng được phân
làm nhiều ngăn, gọi là “wetwell” hoặc “hình xuyến”. Có 11 cái van áp suất
trong mô hình lò BWR/1- BWR/6 và có 18 cái van áp suất trong mô hình lò
ABWR, chỉ có một số trong đó có chức năng ngăn chặn sự gia tăng áp lực tức
thời. Ngoài ra các lò phản ứng cũng có hệ thống nhanh chóng đóng lại trước
khi một tác nhân nào đó tác động đến RPV.
Mỗi lò phản ứng sẽ được bao bọc bởi một tòa nhà chứa bằng thép gia cố
dày 1.2 đến 2.4 m để phòng khả năng có một sự cố bất ngờ làm vô hiệu hóa tất
cả hệ thống chốt an toàn. Bên ngoài lò phản ứng còn được thiết kế với một hệ
thống bảo vệ tiền bê tông ngăn sự ảnh hưởng của lò với môi trường và của môi
trường tới lò phản ứng.
III.
III.
Cấu tạo lò PWR
Cấu tạo lò PWR
III.1. Thùng lò
Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ tâm lò, các cấu trúc bên trong lò và các cơ cấu
điều khiển. Thùng lò đóng vai trò của rào bảo vệ thứ hai: Rào thứ nhất là vỏ
bọc nhiên liệu còn rào thứ ba là tường kín của tòa nhà lò.Hình 5 cho chúng ta
thấy cấu trúc thùng lò của một lò PWR công suất 1,100 MW. Trong thùng lò
có một lõi lò phản ứng chứa các bó nhiên liệu và thanh điều khiển nằm ở trung
tâm. Hệ thống truyền động các thanh điều khiển đặt ở phía trên lõi lò phản ứng.
Trang 12
Hình 5. Cấu trúc thùng lò
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Hình 5. Cấu trúc thùng lò
Nước đi vào thùng lò ở nhiệt độ 290
0
C hoặc 554
0
F nó chảy xuống dưới
xung quanh lõi lò ở đó nó hoạt động như vành phản xạ (Có nhiệm vụ làm tăng
số lượng các hạt neutron trong vùng phản ứng, không cho các hạt neutron bắn
ra ngoài, và làm các hạt neutron phân bố đều trong vùng phản ứng ) và tiếp tục
chảy ngược lên phía trên đi qua lõi lò phản ứng để hấp thu nhiệt tỏa ra từ lõi lò
và nước đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ vào khoảng 325
0
C hoặc 617
0
F. Nước
trong lò PWR được giữ ở một áp suất cao vào khoảng xấp xỉ 15 Mpa. Ở áp suất
này thì nước không thể sôi được.
Trang 13
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
III.2. Bộ phận sinh hơi
Do nước không sôi được trong lò phản ứng, nên hơi nước dùng để quay
tuabin phải được tạo ra ở bên ngoài lò và được thực hiện ở bộ phận sinh hơi do
sự trao đổi nhiệt với nước nóng áp suất cao. Hình 6 cho thấy mô hình của một
bộ phận sinh hơi tiêu biểu. Ở áp suất cao nước làm mát được nung nóng từ lò
phản ứng vào bộ phận sinh hơi từ phía dưới và di chuyển lên xuống trong hàng
ngàn những ống có dạng hình chữ U ngược. Bề mặt của những ống này tiếp
xúc với nước có áp suất thấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của
tuabin. Sự truyền nhiệt từ nước nóng trong những ống này sẽ làm cho nước
cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước, khu vực phía dưới trong bộ phận sinh
hơi mà ở đó hơi nước xuất hiện được gọi là khu vực hóa hơi. Hơi nước ẩm ướt
sinh ra từ đây bay lên phía trên của bộ phân sinh hơi gọi là khu vực trụ hơi. Ở
đây hơi nước sẽ được làm khô trong những thiết bị tách hơi ẩm khác nhau
trước khi quay tuabin. Trong những hệ thống lò PWR lớn thì sử dụng tới bốn
bộ phận sinh hơi để cung cấp hơi nước ở 293
0
C hoặc 560
0
F và 5Mpa.
Trang 14
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
III.3. Nhiên liệu hạt nhân
Hình vẽ cấu trúc của các thanh nhiên liệu được cho trong hình . Một bó
nhiên liệu thì bao gồm 264 thanh nhiên liệu được sắp xếp thành một bó vuông
17 x 17, trong đó người ta chừa một số vị trí để chứa 24 thanh điều khiển.
Trang 15
Hình 6. Bộ phận sinh hơi
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Thanh nhiên liệu cấu tạo gồm một cái ống dài 4m làm bằng hợp kim Zircaloy-4
( hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ
neutron) bên trong có chứa những viên uranium đã được làm giàu ở mức thấp.
những viên UO
2
này có dạng là những viên nhỏ hình trụ có đường kính 1 cm và
dài khoảng 2 cm. Ngoài ra những cái ống nhiên liệu làm bằng hợp kim
Zircaloy-4 có thể giúp ngăn chặn sự rò rĩ các sản phẩm phân hạch.
III.4. Bộ điều áp ( Presurizer)
Bởi vì nước về cơ bản là một chất không chịu nén được nên chỉ cần thể
tích nước tải nhiệt có sự thay đổi nhỏ có thể dẫn đến sự thay đổi lớn về áp suất,
và có thể gây hại đến hệ thống. Một ví dụ nếu vì một lý do nào đó thể tích nước
tải nhiệt bị giảm thì sau đó dẫn đến sự giảm áp suất và kết quả là sự bốc hơi của
nước trong lò phản ứng. Điều này xảy ra sẽ dẫn đến việc các thanh nhiên liệu
Trang 16
Hình 7. Thanh nhiên liệu
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
nóng chảy. Để tránh điều đó xảy ra chu trình nước tải nhiệt của lò PWR được
trang bị một bình ngăn sự tăng áp suất gọi là bộ điều áp.
Theo hình 8 thì bộ điều áp là bình chứa lần lượt hơi nước ở trên và
nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên và một thiết bị đun nước ở phía dưới
để
điều áp. Thiết bị này hoạt động như sau, giả sử công suất đầu ra của tuabin bị
hạn chế do sự tải điện giảm trong nhà máy điện. Điều này dẫn đến sự tăng nhiệt
độ của nước tải nhiệt trong lò và tương ứng là sự tăng thể tích nước tải nhiệt.
Sự giãn nở của nước sẽ khiến cho mực nước trong bộ điều áp tăng lên và tăng
áp suất của hơi nước và đẩy van vòi phun. Nước từ hệ thống tải nhiệt sẽ được
phun vào ở trên đỉnh của bộ điều áp và ngưng tụ hơi nước. Chính cơ chế này sẽ
Trang 17
Hình 8.Bộ điều áp
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
làm giảm bớt áp suất và hạn chế được sự tăng áp suất. Ngược lại khi sự tải điện
tăng lên sẽ dẫn đến thể tích nước tải nhiệt giảm, làm cho mực nước giảm theo
và gây sự tụt áp suất trong bộ điều áp. Khi đó một lượng nước sẽ được chuyển
thành hơi nước bởi thiết bị đun nước và lần nữa hạn chế sự thay đổi áp suất.
III.5. Tuyếc bin và máy phát điện
Hệ này bao gồm một tuyếc bin
áp lực cao, tiếp theo là 3 tuyếc bin áp
lực thấp và sau cùng là máy phát điện.
Sau khi đi qua hệ tuyếc bin, hơi được
dẫn qua hệ ngưng tụ để trở thành nước
và được dẫn trở lại hệ sinh hơi. Toàn
bộ hệ tuyếc bin và máy phát điện nằm
trải dài hơn 70m. Đường kính của
tuyếc bin có chỗ lớn nhất tới hơn 5m
IV.
IV.
Cấu tạo của lò CANDU
Cấu tạo của lò CANDU
IV.1. Thùng lò
Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ tâm lò, các cấu trúc bên trong lò và các cơ
cấu điều khiển. Thùng lò đóng vai trò của rào bảo vệ thứ hai: Rào thứ nhất là
vỏ bọc nhiên liệu còn rào thứ ba là tường kín của tòa nhà lò với độ dày là 1,8
mét. Thùng lò được làm bằng bê tông thép chứa đầy nước.
Khác với những loại lò phản ứng như BWR hay PWR, thì lò phản ứng
CANDU lại có dạng hình trụ nằm ngang chứa nhiều thanh nhiên liệu nhỏ chứ
không phải là một bình áp suất lớn như BWR và được làm bằng thép không rỉ,
gọi là calandria. Nó có chiều dài khoảng 5,98 m, đường kính bên trong là 8,458
m với lớp vỏ dày 3,17 cm và có thể chứa tới 312 m
3
nước nặng tinh khiết
99,95%. Ở mỗi đầu của thùng lò là một lớp chắn ngoài có tác dụng che chắn
phóng xạ và đồng thời nâng đỡ các thanh nhiên liệu được đặt trong lõi lò. Hệ
thống truyền động của các thanh điều khiển được đặt ở phía trên lõi lò.
Trang 18
Hình 9. Tuyếc bin và máy phát điện
Hình 10. Lò CANDU
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Nước nặng đi vào trong lò phản ứng với nhiệt độ là 266
o
C để hấp thu nhiệt
tỏa ra từ phản ứng trong lõi lò sau đó nước nặng đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ
vào khoảng 310
o
C và được giữ ở một áp suất khoảng 10 MPa mà không cần
phải đun sôi. Mặc dù phần lớn nhiệt lượng tỏa ra từ lõi lò đã được chuyển đến
bộ phận khác bởi chất truyền nhiệt D
2
O, thế nhưng vẫn còn lại một số ít phần
năng lượng đã bị lắng lại trong phần nước nặng làm chậm trong lõi lò. Cấu tạo
của lõi lò gồm nhiều thanh nhiên liệu nhỏ nên nó cho phép nạp nhiên liệu ngay
cả khi máy đang hoạt động với hiệu suất cao mà không cần phải dập lò, chính
vì thế thời gian sống của lò có thể được kéo dài.
IV.2. Kênh nhiên liệu
Mỗi bó nhiên liệu gồm có 37
thanh. Mỗi thanh chứa 30 viên
hình trụ dioxyt Uranium UO
2
,
vỏ là hợp kim Zircalloy 4 (hợp
Trang 19
Hình 11. Kênh nhiên liệu
Hình 10. Thùng lò
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron,
đồng thời giúp ngăn chặn sự rò rĩ các sản phẩm phân hạch). Những viên UO
2
này có dạng là những viên hình trụ nhỏ có đường kính 8,2 cm và dài khoảng 2
cm. Mỗi bó dài gần 50 cm, đường kính hơn 10 cm, chứa gần 20kg UO
2
. Như
vậy mỗi kênh nhiên liệu dài 6m được nạp 12 bó nhiên liệu và các bó nhiên liệu
được sắp xếp như hình vẽ. Mỗi lò chứa khoảng 380 kênh nhiên liệu với khoảng
108.000 kg nhiên liệu.
Mỗi kênh nhiên liệu được bao bọc bởi một ống áp lực được làm bằng hợp
kim zirconium-niobium, ở giữa ống áp lực và lớp vỏ của kênh nhiên liệu hình
thành vành đai khí CO
2
có tác dụng phát hiện ra sự rò rỉ của các kênh nhiên
liệu. Mỗi đầu kênh được làm bằng thép không rỉ và được lắp các bộ phận kết
nối mà nước nặng có thể vào hoặc ra để lấy nhiệt lượng từ phản ứng trong lõi
thanh nhiên liệu.
IV.3. Bộ phận tiếp nhiên liệu
Điểm khác biệt giữa các lò khác và CANDU chính là bộ phận tiếp nhiên
liệu trực tiếp trong khi lò đang hoạt động ở công suất cao mà không cần phải
dập lò như các kiểu lò khác. Hoạt động thay đổi nhiên liệu dựa trên việc sử
dụng kết hợp hai máy tiếp nhiên liệu điều khiển từ xa. Máy tiếp nhiên liệu thứ
nhất sẽ đưa bó nhiên liệu mới vào kênh nhiên liệu cùng hướng với dòng nước
Trang 20
Hình 12. Thanh nhiên liệu
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
truyền nhiệt và các bó nhiên liệu cần thay thế sẽ được nhận vào máy tiếp nhiên
liệu thứ hai ở đầu kia của kênh nhiên liệu. Thông thường có 4 hoặc 8 bó trong
12 bó nhiên liệu trong một kênh nhiên liệu sẽ được thay thế. Đối với một lò
phản ứng CANDU 6, mỗi tuần lễ thì có khoảng 10 kênh nhiên liệu được thay.
IV.4. Bộ phận sinh hơi
Do nước không thể
sôi được trong lò phản
ứng nên hơi nước tạo ra
để quay tuabin phải được
tạo ra ở bên ngoài lò và
được thực hiện ở bộ phận
sinh hơi do sự trao đổi
nhiệt với nước nóng áp
suất cao. Phần chính của
Trang 21
Hình 13. Bộ phận tiếp nhiên liệu
Hình 14. Bộ phận sinh hơi
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
bộ phận sinh hơi bao gồm vài nghìn ống có đường kính nhỏ Incolloy-800 được
uốn cong thành hình chữ U ngược. Nước nặng sau khi lấy nhiệt lượng từ phản
ứng trong tâm lò sẽ đi vào hệ này và chuyển động theo các ống có hình chữ U
ngược, nước từ hệ thứ cấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của tuabin
sẽ đi vào tiếp xúc với các ống này. Sự truyền nhiệt từ nước nặng trong các ống
chữ U ngược sẽ làm cho nước được cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước.
Hơi nước được tạo ra sẽ bay lên phía trên của bộ phận sinh hơi và tại đây hơi
nước sẽ được tách ẩm trước khi làm quay tuabin. Lò CANDU có 4 bộ sinh hơi
liên kết với nhau với nhiệt độ đi vào của nước nặng truyền nhiệt là 309
o
và đi ra
là 266
o
với áp suất 4,7 MPa. Mỗi bộ có kích thước cao đến hơn 20m, đường
kính từ 3 tới 4m, nặng hơn 300 tấn, đi liền với mỗi bộ sinh hơi là các hệ bơm.
IV.5. Bộ điều áp
Cũng giống như lò PWR, lò CANDU cũng có bộ phận điều áp. Bộ điều áp
là một bình chứa hơi nước ở trên và nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên
và một thiết bị đun nước ở phía dưới để điều áp. Đây là bộ phận dùng để duy trì
áp suất của nước nặng tải nhiệt trong chu trình sơ cấp. Nguyên lý hoạt động của
bộ điều áp của lò CANDU giống với cách hoạt động của bộ điều áp của lò
PWR.
Đặt trường hợp công suất đầu ra của tuabin bị hạn chế do sự tải điện giảm
trong nhà máy điện. Khả năng này có thể dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước
nặng truyền nhiệt trong lò phản ứng, đồng thời làm tăng thể tích nước nặng.
Điều đó dẫn đến mực nước trong bộ điều áp tăng lên đồng thời áp suất của hơi
nước cũng tăng lên, vì thế van vòi phun sẽ bị đẩy lên. Nước nặng từ hệ thống
tải nhiệt sẽ được phun vào ở trên đỉnh của bộ điều áp và ngưng tụ thành hơi
nước. Chính cơ chế này sẽ làm giảm bớt áp suất và hạn chế sự tăng áp suất.
Ngược lại, khi sự tải điện tăng lên, thể tích nước tải nhiệt giảm sẽ làm cho mực
nước giảm theo, gây ra sự tụt áp suất trong bộ điều áp. Khi đó một lượng nước
sẽ được chuyển thành hơi nước bởi thiết bị đun nước để hạn chế sự thay đổi áp
suất.
Trang 22
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Tài liệu tham khảo
1. Ngô Quang Huy, Sách “Cơ sở vật lý hạt nhân”, NXB Khoa học và Kỹ
thuật (2006)
2. John R. Lamarsh, Anthony J. Baratta-Introduction to Nuclear
Engineering
3. http://www.globalsecurity.org/wmd/world/russia/vver-1000.htm
4. http://www.jaea.go.jp/04/nsed/naht/en/data/htgr_struc/data_htgr_struc.ht
m
Trang 23
Hình 15. Bộ điều áp
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
5. http://www.iae.lt/inpp_en.asp?lang=1&subsub=29
6. http://www.baovietnam.vn/xa-hoi/249627/23/Dien-hat-nhan-Con-nhieu-
van-de-bo-ngo
7. http://www.varans.gov.vn/default.asp?
actType=2&TypeGrp=1&ID_News=166&menuid=109000&menuup=1090
00&menulink=100000http://www.hiendaihoa.com/electricity_detail.php?
id=4750
8. http://www.iaea.org/inisnkm/nkm/aws/htgr/topics/article_01.html
9. http://www.physics.gla.ac.uk/~dtngo/VLVNJournal/Vol1/Page15.pdf
10.http://thuvienvatly.com/home/component/option,com_seyret/Itemid,229/tas
k,videodirectlink/id,224/
Trang 24

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×