Các kiểu Lò phản ứng Hạt Nhân
Giống như mọi nhà máy nhiệt điện, nhà máy Điện Hạt Nhân dùng nhiệt
sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân để đun sôi nước, tạo hơi rồi đưa hơi đó
tới tua-bin phát điện. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt được sinh ra từ
phản ứng phân hạch hạt nhân. Hạt nhân uranium và plutonium trong nhiên
liệu bị neutron bắn phá, phân tách thành hai mảnh, đồng thời giải phóng
năng lượng dưới dạng nhiệt cùng neutron mới. Những neutron mới này lại
gây ra những phân hạch tiếp theo và như vậy tạo ra phản ứng dây chuyền.
Để duy trì được phản ứng dây chuyền, lượng nhiên liệu trong vùng hoạt
động của lò phải đủ lớn. Neutron được sinh ra là những neutron nhanh, có
năng lượng cao. Những neutron này cần được làm chậm để duy trì phản
ứng phân hạch. Việc làm chậm được thực hiện nhờ chất làm chậm có trong
vùng hoạt. Phản ứng dây chuyền được kiểm soát nhờ những thanh điều
khiển có tính năng hấp thụ neutron được đưa vào trong vùng hoạt của lò
phản ứng để giảm tốc độ hoặc để dừng phản ứng dây chuyền.
Ba loại lò phản ứng phổ biến nhất hiện nay là lò nước sôi ( BWR ), lò nước
áp lực (PWR) và lò candu hay nước nặng áp lực (PHWR). Lò nước sôi và
lò áp lực được gọi chung là lò nước nhẹ (LWR). Nước nhẹ H2O vừa là chất
tải nhiệt, vừa là chất làm chậm. Lò nước nặng áp lực dùng nước nặng D2O
để làm chậm neutron.
Lò nước áp lực tạo hơi gián tiếp
Chất tải nhiệt vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao,
mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt
với vòng thứ cấp và hơi được tạo ra rồi dẫn tới tua-bin.
Lò nước sôi sinh hơi trực tiếp
Bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò. Hơi được tách ra khỏi chất lỏng
trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt và được đưa tới tua-bin.
Trong lò nước nặng áp lực
Nhiên liệu được bố trí trong các ống chịu áp lực và nhiệt được tải đi ở từng
ống riêng rẽ. Những ống áp lực này được đặt trong một thùng lớn chứa
nước nặng làm chậm. Trong khi các lò nước nhẹ sử dụng uranium được
làm giàu thì các lò nuớc nặng áp lực dùng nhiên liệu uranium tự nhiên hoặc
được làm giàu chút ít.
Trong lò tải nhiệt bằng khí ( GCR ) và lò tải nhiệt bằng khí cải tiến ( AGR )
CO2 được dùng làm chất tải nhiệt và graphit là chất làm chậm, cho phép sử
dụng nhiên liệu là uranium tự nhiên hoặc uranium làm giàu chút ít.
Lò graphit nước nhẹ ( LWGR )
Có những ống chịu áp lực chứa nhiên liệu cùng nước nhẹ tải nhiệt. Những
ống này bao quanh bởi graphit làm chậm. Lò này được biết nhiều với tên
gọi RBMK, kiểu lò gắn liền với tai nạn Chernobyl năm 1986.
Nhiên liệu của lò tái sinh neutron nhanh ( FBR )
Là hỗn hợp của oxit uranium và plutonium. Loại lò này không cần chất làm
chậm. Phủ quanh vùng hoạt là một lớp các tấm uranium-238 để tái sinh
nhiên liệu. Neutron khi thoát khỏi vùng hoạt sẽ bị lớp phủ hấp thụ và tạo ra
plutonium. Chất này được tách ra trong quá trình tái chế. Lò FBR thường
dùng kim loại lỏng (chẳng hạn như natri) làm chất tải nhiệt.
Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng khí ( HTGR )
Vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết
kế thông thường. Nó dùng graphit là chất làm chậm và khí helium là chất
tải nhiệt. Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn cao. Nhiên liệu của
chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600 độ C trong
khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp
tới tua-bin. Ngoài ra, còn có một số lò cải tiến khác với tính năng làm việc,
độ an toàn và tuổi thọ được nâng lên đang trong quá trình xin cấp phép ở
một số nước và có thể được xây dựng vào năm 2010.
Các lò phản ứng cũ ở Đông Âu
Liên Xô (cũ ) đã phát triển và chế tạo hai loại lò phản ứng chính. Loại đầu
tiên là RBMK được tiết chế bằng than chì và làm mát bằng nước. Nhiên
liệu của lò nằm trong các ống được đặt trong các khối than chì. Nước đi lên
ống và phun lên như một hỗn hợp gồm hơi nước và nước. Sau đó, hơi nước
được sử dụng để quay tua-bin và sản xuất điện. Không giống các lò phản
ứng của Mỹ, RBMK có thể được nạp nhiên liệu trong khi đang vận hành.
RBMK được phát triển từ các loại lò sản xuất plutonium sơ khai và do đó
không bao giờ được chế tạo bên ngoài Liên Xô (cũ Các lò phản ứng ở
Chernobyl cũng như các lò khác ở Nga, Lithuania và Ukraina đều thuộc
loại này.
Loại lò phản ứng thứ hai là VVER được thiết kế giống lò phản ứng nước
điều áp của các nước Tây Âu (PWR). Nó được tiết chế và làm mát bằng
nước với ba thiết kế hơi khác biệt đang được sử dụng. Lò phản ứng loại này
được phát triển từ các lò phản ứng sử dụng cho tàu phá băng và tàu ngầm.
Chúng hiện đang được sử dụng ở các nước từng thuộc Liên Xô (cũ ), Phần
Lan, Hungary, Bulgaria, Séc, và Slovakia.
Đối với lò phản ứng RBMK, nếu nước bị mất khỏi lõi do rò rỉ chất làm lạnh
hoặc do lò quá nóng, năng lượng lò sẽ tăng lên. Sự gia tăng năng lượng sẽ
làm mất khỏi lõi nhiều nước hơn. Do đó, chu trình hồi tiếp xảy ra, làm cho
lò không ổn định. Đây chính là nguyên nhân chính dẫn tới tại nạn
Chernobyl. Vấn đề thứ hai là mỗi thanh kiểm soát có một đầu bằng than
chì. Điều này khiến việc lắp nó sẽ làm cho năng lượng gia tăng trước khi
năng lượng giảm (điều này đã xảy ra tại Chernobyl). Phương pháp đầu tiên
cần khoảng 20 giây để lắp các thanh kiểm soát - đủ để làm phản ứng dây
chuyền gia tăng.
Các ống dẫn nhiên liệu bị vỡ cũng là một vấn đề nghiêm trọng đối với lò
RBMK. Như đã giải thích ở trên, khi chất làm lạnh bị rò, năng lượng sẽ gia
tăng. Nếu nhiều ống bị rò, áp lực bên dưới nắp lò có thể tăng đủ mạnh để
nâng nó lên cũng như mọi thanh kiểm soát. Điều này đã xảy ra tại
Chernobyl. Hiện các kỹ sư đang làm mọi cách để giảm tai nạn do các ống
dẫn nhiên liệu bị nứt gây ra song không thể loại bỏ nó.
Các lò VVER kiểu 230 thiếu một số đặc điểm an toàn cơ bản thường thấy ở
lò phản ứng Tây Âu, đầu tiên là hệ thống làm mát lõi khẩn cấp (ECCS). Hệ
thống này cần để làm mát lõi của lò nếu các phương pháp làm mát bình
thường bị trục trặc do rò rỉ chất làm lạnh. VVER-230 cũng thiếu cấu trúc
ngăn chặn một lượng lớn chất phóng xạ được giải phóng khi có tai nạn
nghiêm trọng cũng như bảo vệ lò từ các lực bên ngoài. Mặc dù đã được cải
tiến so với 230 song hệ thống làm mát lõi của VVER 440/213 vẫn ít tin cậy
hơn 10-50 lần so với các hệ thống của phương Tây. Ngoài ra, nó cũng
không có hệ thống ngăn chặn chất phóng xạ được giải phóng ra ngoài.
VVER 1000/320 có bình ngăn chặn chất phóng xạ được giải phóng ra bên
ngoài. Tất cả bình ngăn chặn có lỗ để cho phép nhiều loại vật liệu được đưa
vào lò (nước, nhiên liệu, v.v...). Đường kính của bình quá nhỏ, tạo ra một
vùng đệm nước không đủ giữa các neutron được phát ra và thành bình. Kết
quả là, độ giòn của bình phản ứng tăng lên.
Minh Sơn