Bài giảng Điện nguyên tử - Chương 4: Lò phản ứng hạt nhân

Chia sẻ: Minh Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

169
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Điện nguyên tử - Chương 4: Lò phản ứng hạt nhân trình bày về lịch sử lò phản ứng hạt nhân, điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền, nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng, nguyên lý điều khiển lò phản ứng hạt nhân, cấu trúc lò phản ứng hạt nhân và các loại lò phản ứng hạt nhân.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện nguyên tử - Chương 4: Lò phản ứng hạt nhân

LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1. Lịch sử lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng thế hệ I ra đời đầu thập niên 50, tuy nhiên chúng đang dần dần bị đào thải. - Thế hệ thứ II ra đời vào đầu thập niên 70. - Thế hệ thứ III, vào thập niên 90. - Thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều hy vọng trở thành một công nghệ toàn hảo vì sẽ làm giả hiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc thải khí CO2, hực hiện được an toàn lao động trong vận hành và nhất là loại lò này sẽ là
4.1.1. Lò phản ứng thế hệ I Lò phản ứng có tên Magnox do 3 nhà vật lý n Anh sáng chế là Ts. Ion, Ts. Khalit, và Ts. Magwood. Lò Magnox sử dụng nguyên liệu ur rong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% chất đồ U-235 và 99,2% U-238. 238.
Nguyên tắc vận hành Nguyên tắc vận hành có thể được tóm tắt như sau: C kim loại urani được bao bọc bằng một lớp hợp kim g m và magiê. Một lớp than graphit đặt nằm giữa ống u ợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phón h nơtron do sự phân hạch U U-235. Từ đó các nơtron t a chạm mạnh với hạt nhân của U U-235 để các phản ứ chuyền liên tục xảy ra. Để điều khiển vận tốc phản ứ chuyền hoặc chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụ loại thép đặc biệt. Nó có tính chất hấp thụ các nơtro ó thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Có 26 lò Ma
4.1.2. Lò phản ứng thế hệ II Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đ c lò đang hoạt động trên thế giới. Từ ban đầu, 60% này áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, . Nhưng đã d n được thay thế bằng lò nước sôi BWR. Nhiên liệu s ng cho lò này là hợp chất urani đioxit và hợp kim nà ợc bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi. ani 235 sẽ được làm giàu từ 0,7% đến 3,5%. Một kh ệt cơ bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua h ống làm tăng áp suất. Như vậy, phương pháp này sẽ ắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi truyền nhiệt
4.1.3. Lò phản ứng thế hệ III Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghi u với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của II. Năm 1996 tại Nhật đã có loại lò này. Hiện tại các y đang được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới ời gian xây dựng tương đối ngắn ( chỉ xây trong khoả m) và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ tr ơn nữa, việc vận hành cũng như bảo dưỡng loại lò n ơng đối đơn giản và an toàn hơn.
4.1.4. Lò phản ứng thế hệ IV ác nhà khoa học đang tiến dần đến việc xây dựng c nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn sÏ hoàn to g, sẽ không còn có việc phát thải khí CO2. Thế hệ IV ợc gọi là “lò phản ứng cách mạng". Thế hệ này dù kiÕ ợc ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn nhữn n sau: + Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại; + Độ an toàn rất cao nên có thể xem như an toàn 100%;
4.2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 4.2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền hi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạ n có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. N ng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia đư là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được g cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riên bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nộ phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của to hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ
phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằn nh on chậm và U235 là: 0n1 + 92U235  A + B + n' và: 0n1 + 92U235  92U236 +  g đó A và B là hai hạt nhân nhẹ h U235 gọi là các mảnh phâ n hơn h. ể lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng th mà ở đó phản i thái chuyền tự duy trì phải có một sự c bằng chính xác giữa số cân đi và số nơtron xuất hiện trong ph hạch. tron phân
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền rani thiên nhiên có chứa đồng vị U238 và 0,7% Phản ứng dây chuyền U235. Hạt nhân của U238 chỉ bị vỡ khi hấp on nhanh (có năng ớn hơn 1 MeV). Khi hấp chậm U238 sẽ biến u239. Trái lại, hạt nhân ẽ bị vỡ khi hấp thụ cả chậm và nơtron nhanh. Tuy ác suất hấp thụ nơtron ủa hạt nhân U235 lớn hơn
4.2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 4.2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nh 5, Pu239 và U233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệ g lượng nhỏ từ 0,10,001 eV), còn U238 và Th232 0,001 ấp thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV). Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành h +1 ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơ ản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và g liên kết của nơtron trong hạt nhân mới. Nếu năng thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phâ ảy ra. Nếu ngược lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về tr
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền phản ứng phân hạch của hạt nhân U235 bằng nơtr ể viết như sau: 0n1 + 92U235  2 mảnh phân hạch + n' 0n1 + 92U235  2 mảnh phân hạch + các hạt - 0n1 + 92U235  2 mảnh phân hạch + Các lượng tử suất phân hạch là tỉ số 1/(1+ trong đó  là tỉ số gi 1/(1+) ứng bắt và số phản ứng phân hạch. Như vậy xác su 1+). nên đứng về mặt xác suất ta có thể viết lại phản ứng của U235 do nơtron như sau:
Khi hạt nhân U235 phản ứng với một nơtron thì xác xảy ra phân hạch là 1/(1+ mà mỗi lần phân hạch c ), nơtron được tạo thành, cho nên  = (1/(1+))  là số nơtron trung bình được tạo ra khi hạt nhân U hụ một nơtron. Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũn có 1 nơtron bị hấp thụ và do đó  nơtron mới được tạ hành. Để đơn giản ta giả định là tất cả các nơtron gâ phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lượng như nh Trong số  nơtron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong ệu (trong đó fa là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân h fa
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũ hải có 1 nơtron bị hấp thụ. Do hấp thụ nơtron đầu tiê à  nơtron mới được tạo thành. Để đơn giản ta giả đ t cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đề ăng lượng như nhau. Trong số  nơtron sẽ chỉ có f a a hần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu f trong đó  a là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạ ủa nhiên liệu, a là tiết diện hấp thụ toàn phần của tấ a ác vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu).
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền ế cho nên đối với lò có kích thước lớn đến mức không có một on nào có thể rò ra khỏi lò ta nói đó là một lò vô hạn. Khi đó hệ hân sẽ có dạng: f a k   f f  a  a g đó f =  là hệ số sử dụng nơtron nhiệt. a lò có kích thước hữu hạn thì: k = .f.Pt (đối với trường hợp 1 nhóm). .f.Pt g đó Pt là xác suất để nơtron nhiệt không thoát ra khỏi lò.
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền Tỷ số giữa số nơtron được làm chậm xuống d ợc dưới gưỡng phân hạch của U238 chia cho số n n nơtron xuất an đầu trong hệ được ký hiệu là  và được gọi là hệ ợc hân bằng các nơtron nhanh. Giả sử c m nơtron bị là tron có hậm qua vùng cộng hưởng th trong đó chỉ có n nơtro ởng thì ánh được sự hấp thụ cộng h ợc hưởng để xuống được vù hiệt. Như vậy p=m/n gọi là x suất tránh hấp thụ cộ xác ưởng. Từ đó ta có công thức bốn thừa số như sau: ng k = ..p.f .p.f
2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền 2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền ong đó:  là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân U235 hấp thụ 1 nơtron  là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh p là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt k = 1 là điều kiện tới hạn của lò. ếu lò là hữu hạn hoặc có kể đến hiện tượng rò của c ơtron ra khỏi lò thì công thức bốn thừa số biến thành
4.2.2. Phân bố nơtron trong lò ười ta hay dùng một phương trình gần đúng gọi là p uếch tán xem các nơtron như là khuếch tán trong mô nhân nhiên liệu. ụ đối với lò hình cầu ta có: 2 1    2    S  D  r 2     a  v t  r y  D là hệ số khuếch tán,  là thông lượng nơtron tron ạo ra nơtron trong 1cm3 sau 1 giây.
.2.3. Thời gian tồn tại của nơtron trong lò ể đơn giản, ta giả thiết rằng l là đồng nhất, không c n lò ất phản xạ nơtron, chưa kể đ các hiệu ứng nhiệt đ a đến a môi trường v.v... ếu gọi  là thời gian sống trung bbình của nơtron tron hĩa là khoảng thời gian từ l nơtron được sinh ra d lúc ân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp thụ hoặc b ngoài lò. Có thời gian  bao hàm cả thời gian sinh, th an làm chậm và thời gian khuếch t của các nơtron tán iệt. Tuy nhiên có thể coi  của một thế hệ nơtron gần ng bằng thời gian khuyếch t của nơtron nhiệt. ếch tán
.2.3. Thời gian tồn tại của nơtron trong lò - Các lò có chất làm chậm là graphít hay nước nặng thì  10-3 giây, - Đối với lò chạy bằng nước thường  10- 4 giây. - Các lò chạy bằng nơtron nhanh thời gian sống trung bình củ nơtron đạt tới 10-7 - 10-8 giây. Mật độ nơtron trong lò ở thời điểm t có thể tính được theo côn k . t hức: n( t )  n0e L [1/cm3]
Nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 s theo hàm mũ. Bây giờ giả định rằng ở trạng thái hiện tại của lò k = 1,001 đó là một trạng thái không khác lắm với trạng thái tớ Do đó k = k - 1 = 1,001 - 1 = 0,001. Đối với các lò chạy bằng n nhiệt  = 10-3 giây = 0,001 giây. 3 Do đó: 0, 001. t 0, 001 t n( t )  n0 e  n0 e nghĩa là thông lượng nơtron và do đó công suất của lò tăng e mỗi giây. Nếu lò chạy bằng urani có hàm lượng cao( ~ 10-5 g cao( đối với lò chạy bằng nơtron nhanh( ~ 10-7 - 10-8 giây) thì tốc nhanh( công suất còn cao hơn nữa.