Khoá luận tốt nghiệp: Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của khoá luận "Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR" nhằm hiểu được nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân; Tình hình điện hạt nhân trên Thế Giới và Việt Nam.; Thuận lợi và khó khăn của ngành công nghiệp điện hạt nhân; Hiểu được nguyên lý và cách chạy phần mềm nhà máy điện hạt nhân loại PWR.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khoá luận tốt nghiệp: Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR HỌ TÊN TÁC GIẢ KHOÁ LUẬN NGƯỜI THỰC HIỆN: LƯƠNG KIM THIỆN Bình Dương, Ngày 20/05/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG NIÊN KHÓA 2011 – 2014 TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: ThS. LÊ NGUYỄN HÒA BÌNH Sinh viên thực hiện: LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 Bình Dương, Tháng 05/ năm 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là TS. Lê Nguyễn Hòa Bình. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ ông trình nghiên cứu nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình. Bình Dương, Ngày 20/05/2014
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Phòng đào tạo trường đh Thủ Dầu Một, thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thạc sĩ – Lê Nguyễn Hòa Bình, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Thạc sĩ - Nguyễn Thành Đoàn (giáo viên chủ nhiệm) cùng toàn thể các thầy cô trong khoa điện- điện tử, Trường Đh Thủ Dầu Một đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc học tập và thu thập số liệu tại khoa để tôi có thể hoàn thành được luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, người thân, đã động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc tôi gặp khó khăn. Xin chân thành cảm ơn mẹ, em gái và toàn thể người thân trong gia đình đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập làm việc và hoàn thành luận văn này… Bình Dương, Ngày 20/05/2014
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT TÊN BẢNG BIỂU Trang 1 Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng 7 và chức năng của chúng 2 Bảng 2: Một số thông số chính của kiểu lò 28 PWR – 1160 Mwe 3 Bảng 3: Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ 35-36 công nghệ lò DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT TÊN HÌNH VẼ Trang 1 Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. 5 2 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân 6 3 Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu 8 4 Hình 1.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 9 5 Hình 1.5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 10 6 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch 13 7 Hình 1.7 Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân 14 8 Hình 1.8 Bức tranh sử dụng nhà máy điện hạt nhân trên Thế 20 Giới 9 Hình 3.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR 26
10 Hình 3.2 Sơ đồ thùng lò PWR 27 11 Hình 3.3: Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái 30 phương Tây và Nga 12 Hình 3.4: Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu 30 ngang (Nga) 13 Hình 3.5 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 32 14 Hình 3.1 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 40 15 Hình 3.2 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 41 16 Hình 3.3 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 41 17 Hình 3.4 Thảm họa sau tai nạn hạt nhân ở Mỹ 42 18 Hình 4.1 Mô hình nhà máy điện tại Ninh Thuận 46 19 Hình 1.1 Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân 47 20 Hình 1.1 Sơ đồ các khối chức năng quan trọng trong phần mềm 54 PWR 21 Hình 1.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước 55 áp lực
Khoa: Điện – Điện tử BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 01): LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 Ngành : Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Chuyên ngành : Điện công nghiệp 2. Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR 3. Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang: 63 Số chương: 4 Số bảng số liệu: 3 Số hình vẽ: 21 Số tài liệu tham khảo: 4 Phần mềm tính toán: 1 Số bản vẽ kèm theo: 1 Hình thức bản vẽ: word Hiện vật (sản phẩm) kèm theo: ..................................................................................... 4. Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... c) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 5. Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm) Không được bảo vệ Bình Dương, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN.
Khoa: Điện – Điện tử BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……) LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 2. Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR 3. Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 4. Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 5. Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (2) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (3) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Bình Dương, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN.
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ..................................................................... 13 1. Nhà máy điện hạt nhân: ............................................................................................................................................................ 13 1.1Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân: ....................................................................................................................................... 13 1.1.1Lò phản ứng hạt nhân: .......................................................................................................................................................... 13 1.1.2 Nhiên liệu:…… ...................................................................................................................................................................... 15 1.1.3 Thanh điều khiển: ................................................................................................................................................................. 16 1.1.4 Chất làm chậm: ..................................................................................................................................................................... 17 1.1.5 Chất phản xạ:………………………………………………………………………………………………………………..17 1.1.6 Thùng lò:……........................................................................................................................................................................ 18 1.1.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác: .............................................................................................................................. 18 2. Phản ứng phân hạch hạt nhân: ................................................................................................................................................. 19 2.1 Khái niệm: ................................................................................................................................................................................ 19 2.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch: ............................................................................................................................................. 19 2.3 Năng lượng phân hạch: ........................................................................................................................................................... 20 2.4 Chất thải phóng xạ: ................................................................................................................................................................. 21 2.5 Sử lý chất thải phóng xạ: ......................................................................................................................................................... 22 2.5.1 Pháp, Nga, Nhật, Anh: .......................................................................................................................................................... 23 2.5.2 Mỹ: ........................................................................................................................................................................................ 23 2.5.3 Phần Lan: .............................................................................................................................................................................. 23 2.5.4 Bungari: ................................................................................................................................................................................. 24 2.5.5 Anh và Đức:........................................................................................................................................................................... 24 3. BỨC TRANH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI: ................................................................... 24 3.1 Quá khứ:……. .......................................................................................................................................................................... 25 3.2 Hiện tại:………. ...................................................................................................................................................................... 26 3.2.1 Ở Mỹ và các nước phương Tây: .......................................................................................................................................... 26 3.2.2 Ở châu Á: ............................................................................................................................................................................... 27 3.2.3 Các nước khác:...................................................................................................................................................................... 28 4. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA: ....................................................................................................................... 28 4.1 Một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân: ............................................................................................................................... 29 4.1.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor):................................................................................................... 29 5. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân: ............................................................................................................................................. 33 6. Một số tai nạn của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới: ................................................................................................. 37 6.1 Tai nạn tại nhà máy điện nguyên tử TMI ( Three Mile Island ) của Mỹ: ........................................................................... 37 6.1.1 Nhân viên vận hành phán đoán nhầm: ............................................................................................................................... 38 6.1.2 Nhân viên vận hành vi phạm nguyên tắc: ........................................................................................................................... 38 6.1.3 Khiếm khuyết trong thiết kế: ............................................................................................................................................... 38 6.2 Tai nạn của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ: ............................................................................................ 38 6.2.1 Sự khiếm khuyết của hệ thống quản lý: .............................................................................................................................. 39 6.2.2 Sự khiếm khuyết của chức năng đóng kín các: Chất phóng xạ. Không có vỏ lò phản ứng: ........................................... 39 6.2.3 Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận: hành thiếu kiến thức: ............................................................................. 39 6.2.4 Khiếm khuyết về mặt quan trọng thiết kế: ......................................................................................................................... 39 6.3 Tai nạn ở công ty JCO tại Tokaimura Nhật Bản: ................................................................................................................. 39 6.4 Một số hình ảnh cháy nổ nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản: ............................................................................................ 40 7. Các tiêu chí đánh giá mức độ tai nạn nguyên tử: .................................................................................................................... 42 7.1 Rạn nứt do ăn mòn ứng suất (Stress Crrosion Cracking:SCC) ........................................................................................... 42 7.2 Những biện pháp được áp dụng để phong chống hiện tượng SCC: .................................................................................... 43 7.3 Sự cố máy bay dân dụng đâm vào nhà máy điện nguyên tử : .............................................................................................. 43
8.Tình hình năng lượng nguyên tử của Việt Nam: ...................................................................................................................... 43 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR. .............................. 46 1. Xuất sứ: ...................................................................................................................................................................................... 46 2. Cách chạy phần mềm: ............................................................................................................................................................... 47 3. Chức năng của các thông số mô phỏng: ................................................................................................................................... 48 3.1 Ứng dụng: Có hai chế độ để lựa chọn .................................................................................................................................... 48 3.2 Chế độ: Chọn các chế độ của nhà máy cho phần mềm. ........................................................................................................ 49 3.3 Tạo File thư mục: ..................................................................................................................................................................... 49 3.4 Thông số: Cài đặt dữ liệu phần thông số............................................................................................................................... 49 3.5 Đồ thị: Cài đặt các thông số của phần đồ thị. ........................................................................................................................ 50 3.6 Hoàn thành xong thông số cài đặt. ......................................................................................................................................... 51 3.7 Thư mục thông tin của phần mềm.......................................................................................................................................... 51 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN. .............................. 53 1. hợp 1: Lò xảy ra sự cố: ............................................................................................................................................................. 53 2. Trường hợp 2: Hạ thanh điều khiển số 2 xuống mức 150 cm: ............................................................................................... 54 3. Trường hợp 3: Tăng thanh điều khiển số 2 lên mức 180 cm:................................................................................................. 54 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................. 55 1. Kết quả mà em đã tiếp thu được sau khi làm xong đề tài này là: .......................................................................................... 55 2. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã gặp phải những khó khăn sau: ............................................................................... 55 3. Nhận xét về phần mềm mô phỏng: ........................................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................................................................. 57
GIỚI THIỆU Tổng quan: Nhà máy điện nguyên tử ( nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài người. Trên thế giới có khoảng 447 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động. Nó cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới và sẽ tiếp tục tăng do sự cạn kiệt của các dạng năng lượng truyền thống ( Thủy năng, than, dầu khí…). Yêu cầu về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng cao, trình độ công nghệ của điện nguyên tử cũng được nâng cao an toàn hơn, tin cậy hơn. Dự báo tốc độ gia tăng nhanh nhất về phát điện hạt nhân sẽ là ở các nước đang phát triển, với tốc độ trung bình 4,7% trong suốt thời kì dự báo. Đặc biệt là các nước đang phát triển Châu Á, số lò phản ứng đang xây dựng chiếm đến một nửa số lò phản ứng đang xây dựng trên toàn thế giới. Thứ tự các quốc gia có nhiều tổ máy điện hạt nhân nhất: Mỹ 104 tổ máy, Pháp 58, Nhật Bản 54, Nga 32, Hàn quốc 21, Ấn Độ 20, Anh 19, Canada 18, Đức 17, Ukraine 15, Trung quốc 13. Châu Á đang là khu vực có nhịp độ phát triển điện hạt nhân cao nhất. Để đáp ứng nhu cầu của thế kỉ 21, hiện nay nhiều thế hệ lò mới đang được nghiên cứu phát triển. Chính phủ các nước đang có ngành công nghiệp hạt nhân phát triển đang đầu tư trên 2 tỷ USD cho công tác này. Nhiều loại lò đang được nghiên cứu thiết kế với mục tiêu tăng tính kinh tế, nâng cao độ an toàn và giải quyết vấn đề bã thải hoạt độ cao sống dài ngày. Các khoa học gia quốc tế đã khẳng định: “Dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức, nhưng công nghệ điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn của thế kỷ 21”. Trong hoạch định chiến lược phát triển năng lượng và lự chọn công nghệ phát điện, mỗi khu vực, mỗi quốc gia, trong từng thời kỳ nhất định, đều phải đối mặt với một loạt các vấn đề, không có một khuôn mẫu nào cho tất cả các nước. Việc cung cấp năng lượng, đặc biệt là điện năng, một cách đầy đủ và tin cậy không chỉ cần thiết cho sự phát triển kinh tế mà như ngày càng được thấy rõ, còn cần thiết cho sự ổn định chính trị và xã hội. Sự thiếu hụt năng lượng trầm trọng, cả hiện tại lẫn trong tương lai, thường dẫn tới những bất ổn và mâu thuẫn tiềm tàng trong mỗi quốc gia và giữa các quốc gia.
Bởi vậy cung cấp năng lượng một cách an toàn, tin cậy và với chi phí hợp lý là một yêu cầu kinh tế, chính trị và xã hội thiết yếu và là một thách thức. Hoạch định và đưa ra những quyết định về sản xuất năng lượng và điện năng, do đó, là trong một những chức năng quan trọng nhất của các nhà hoạch định chính sách.
CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1. Nhà máy điện hạt nhân: Nhà máy điện hạt nhân (Nuclear Power Plant) là một nhà máy tạo ra điện năng bằng cách chuyển năng lượng thu nhiệt thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng. 1.1 Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 bộ phận sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. - Lò phản ứng (Reactor core) là bộ phận giữ vai trò quan trọng nhất. Đồng thời cũng là nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và tạo ra lượng nhiệt rất lớn. - Turbine: Nối liền với một máy phát điện. Nước có nhiệt độ và áp xuất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để “thổi” turbine làm quay máy phát điện. - Máy phát điện chạy bằng hơi nước: chuyển nhiệt năng thành điện năng. - Bộ phận ngưng tụ: (condencer) làm nguội hơi nước và ngưng tụ hơi nước thành nước ở nhiệt độ thấp. Nước nguội sẽ được bơm ngược trở lại lò phản ứng để tiếp tục quy trình. 1.1.1 Lò phản ứng hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân muốn hoạt đông được cần thiết phải có một lò phản ứng. Như đã nói về cấu tạo chung của nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng giữ vai trò trung tâm không thể thiếu được. Vì vậy phần tiếp sau đây em sẽ trình bày kỹ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.
Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân, bao gồm: - Thanh nhiên liệu - Thanh điều khiển - Chất làm chậm - Chất tải nhiệt - Chất phản xạ - Ngoài các bộ phận chính trên thì lò phản ứng còn có thùng lò, tường bảo vệ các vật cấu trúc khác. Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng và chức năng của chúng STT Phần tử Vật liệu Chức năng 1 Nhiên liệu , , Chất phân hạch 2 Chất làm chậm , , C, Be Giảm năng lượng của nơtron nhanh thành nơtron nhiệt 3 Chất tải nhiệt , , , He, Na Tải nhiệt làm mát lò 4 Thanh điều khiển Cd, B, Hf Điều khiển mức tăng giảm nơtron 5 Vành phản xạ Như các chất làm chậm Giảm mất mát nơtron 6 Thùng lò Fe & S/S Chịu áp lực và chứa toàn bộ vùng hoạt
7 Tường bảo vệ Bê tông, , Fe, Pb Bảo vệ chống bức xạ 8 Các vật cấu trúc Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò khác 1.1.2 Nhiên liệu: Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân có thể là chất Uranium hoặc Plutonium. Thường là U-230, U-233 hoặc Pu-239. Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu như sau: Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu Ban đầu quặng Uranium được khai thác từ các mỏ quặng trong tự nhiên rồi đem tinh chế và làm giàu để tạo thành U-235 là chất có khả năng phân hạch cho năng lượng tốt nhất và tiếp tục được chuyển hóa thành Ô-xít Urani dưới dạng chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung thành những viên dài 1cm, nặng khoảng 7gam. Các viên này được xếp lần lượt vào một ống kim loại, thường là các hộp Zircalloy 4 (Hợp kim của Zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron) dài khoảng 4 mét, bịt kín hai đầu tạo thành một thanh nhiên liệu (fuel rod). Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assemply), rồi các bó nhiên liệu được đưa vào tâm lò phản ứng (reactor). Giữa các bó nhiên liệu có chừa khoảng trống để đặt các thanh điều khiển (control red). Các thanh nhiên liệu phải nằm trong lò từ 3-4 năm để thực hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi một lượng nước rất lớn. Nguồn nước bốc hơi tại đây sẽ tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn làm quay hệ thống turbine để phát điện.
Hình 1.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 1.1.3 Thanh điều khiển: Những thanh này thường được làm từ chất Bo hoặc Cadimi có tính chất: có thể “bắt” được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor). Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như có thể dừng hoàn toàn phản ứng trong lò. Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ neutron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).
Hình 1.5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 1.1.4 Chất làm chậm: Với chức năng làm giảm tốc độ các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch tiếp theo. Các chất làm giảm tốc độ neutron được gọi là chất làm chậm. Các chất làm chậm phải có các tính chất sau: - Hấp thu neutron hiệu quả. - Giảm tốc độ của neutron với hiệu suất cao. Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ. Các loại chất làm chậm thông thường: - Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ neutron một cách lãng phí. - Nước nặng ( ) cũng có hiệu suất làm chậm rất tốt do không hấp thụ neutron một cách lãng phí nên đây có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khó điều chế. - Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại ít hấp thụ neutron và giá tương đối rẻ. Thế nhưng hiện nay chất làm chậm phổ biến nhất vẫn là nước nhẹ 1.1.5 Chất phản xạ:
Chất này hấp thụ nhiệt năng từ vùng phản ứng và truyền ra bên ngoài. Chất truyền nhiệt có thể chạy trong các ống áp lực, hoặc trực tiếp chạy qua vùng phản ứng. Chất truyền nhiệt thông thường được sử dụng là nước. Tùy vào loại lò mà chất tải nhiệt có thể là nước nhẹ, nước nặng hoặc khí. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ, lò nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng, còn lò khí thì dùng chất tải nhiệt là khí hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là Natri. Thông thường để đảm bảo an toàn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3 vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lò phản ứng đến bộ phận tạo hơi. Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận năng lượng sinh ra từ phản ứng dây chuyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai. Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas hoặc kim loại lỏng tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng sau đó đem lượng nhiệt ấy đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbine. Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn, có thể có hai vòng thứ cấp. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là nước. 1.1.6 Thùng lò: Thường làm bằng Fe và S. Có nhiệm vụ chịu áp lực, chứa toàn bộ vùng phản ứng và làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức cho phép. 1.1.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác: Thường là những lớp bê tông rất dày để ngăn cho phóng xạ không rò rỉ ra bên ngoài và bảo vệ các cấu trúc bên trong lò phản ứng. Lò phản ứng được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm và chất tải nhiệt. Hiện nay công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Thực chất chỉ có ba loại là được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất đó là: - Lò nước nhẹ áp lực PWR - Lò nước sôi BWR - Lò nước nặng PHWR Bắt đầu từ năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện hạt nhân còn được phân chia theo các hệ sau:
Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu Thế hệ II: Các nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng và đang vận hành Thế hệ III và : Các lò phản ứng tiên tiến Thế hệ IV: Thế hệ lò phản ứng tiếp theo Theo một bài báo về “Nhà máy điện hạt nhân” trên trang wed phanminhchanh.info đăng ngày 04/01/2011 đưa tin: “Một số nhà khoa học Mỹ cho biết, các lò phản ứng thế hệ IV của Mỹ sẽ được đưa ra thị trường vào khoảng năm 2030”. 2. Phản ứng phân hạch hạt nhân: 2.1 Khái niệm: Là một quá trình trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng phân chia thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mảnh vỡ) đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động của một hạt neutron tự do. 2.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch: Khi một neutron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân bị tách thành 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải gióng năng lượng ở dạng động năng của các hạt, bức xạ gamma và phát ra 2 hoặc 3 neutron tự do. Các neutron tự do này sẽ tiếp tục bắn phá các hạt nhân ở gần đó, cứ thế sự phân hạch sẽ tạo thành một dây chuyền. Phần lớn các sản phẩm phân hạch đều có tính phóng xạ. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch “Trên thực tế không phải mọi neutron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch, bởi vì có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: Do hấp thụ bởi
các tạp chất trong nhên liệu hạt nhân (Trong khối Urani hoặc Plutoni…), hoặc bị hấp thụ mà không xảy ra phân hạch hoặc bay ra ngoài thể tích khối Urani hoặc (Plutoni)… Do vậy, nếu có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số neutron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân neutron). - Nếu k< 1: dưới mức tới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. - Nếu k = 1: trạng thái tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân. - Nếu k > 1: vượt mức tới hạn, dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.” Dựa vào nguyên lý trên, các chuyên gia trong lĩnh vực hạt nhân đã thiết kế hệ thống lò phản ứng sao cho có thể điều khiển được phản ứng dây chuyền. Theo hệ thống này, hai neutron sẽ bị hấp thụ, neutron nhanh còn lại sau khi qua chất làm chậm sẽ trở thành neutron nhiệt giống như lúc trước phân hạch và tiếp tục qua trình phân hạch tiếp theo. Hình 2.2 Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân 2.3 Năng lượng phân hạch: