Đề tài Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động của thiết bị năng lương nguyên tử

Đề tài Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động của thiết bị năng lương nguyên tửLời Nói Đầu Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội phát triển không ngừng các thành tựa của khoa học đạt được đã đưa nền kinh tế xã hội phát triển không ngừng đời sống xã hội của con người ngày một cao nhưng đi đôi vói nó là ô nhiễm môi trường và tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt vì vậy thế giới hiện tại đòi hỏi các nhà khoa học nghiên cứa thiết kế với những sản phẩm thân thiên với môi trường. Hiện nay năng lượng con người sử dụng chủ yếu do tài nguyên thiên nhiên tạo ra, nhu cầu năng lượng trên thế giới ngày một tăng cao mà tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, yêu cầu cần phải có nhà máy sản suất ra năng lương mà ít tác động đến thiên nhiên nhất và các nhà máy sử dụng năng lượng nguyên tử có thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đó hiện nay các nhà khoa học đã nghiên cứa nếu con người sử dụng nhà máy điện hạt nhân thay thế cho nhà máy điện khác như thủy điện, nhiệt điên… có thế giảm thiểu tình trạng phá hủy môi trường sinh thái tự nhiên và đặc biệt giảm hiên tượng Anino ( tình trạng nóng lên của trái đất ). Đối với nước ta một nước đang phát triển với tốc độ phát triển cao của đất nước tình trạng thiếu hụt trầm trọng năng lượng điện theo các chuyên gia vói tình trạng sử dụng năng lượng điện ngày một tăng như hiện nay thì các nhà máy nhiệt điện và thủy điện không thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng cho đất nước vì vậy nhà máy điện nguyên tử có thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng của đất nước, trong bài xemina này tôi xin giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị năng lượng nguyên tử . Nha Trang ngày 23/11/2009 SVTH : Nguyễn Văn Chương Cấu tạo của thiết bị năng lương nguyên tử. Một thiết bị năng lương nguyên tử trên tàu gồm có các bộ phân sau : Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch. Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi. Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện và quay chân vịt. Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thanh nguyên liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt… lò phản ứng hạt nhân có cấu tạo khác nhau. Một lò phản ứng hạt nhân có nhiều bộ phận khác nhau, nhưng quan trọng nhất là vùng phản ứng (hoạt động), nơi diễn ra các phản ứng dây truyền. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng dây truyền được các chất dẫn nhiệt truyền ra ngoài. Để điều khiển các phản ứng dây truyền, người ta sử dụng hệ thống điều khiển và bảo vệ, hệ thống này được làm từ các vật liệu có khả năng hấp thụ các hạt notron cao (Bo, Cd).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 nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).Bao quanh vùng phản ứng là lớp vỏ bê tông dầy, được gọi là lớp vỏ bảo vệ sinh học, có nhiệm vụ làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức độ cho phép. Giữa lớp vỏ bảo vệ sinh học và lớp vỏ của lò phản ứng hạt nhân, thường có thêm một lớp vỏ bảo vệ “nóng”, có nhiệm vụ giảm bớt cường độ các tia phóng xạ chiếu vào lớp bảo vệ sinh học. Hình 3-1. Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân.1- Lớp vỏ bảo vệ sinh học2- Ống dẫn chất truyền nhiệt vào3- Vỏ lò phản ứng hạt nhân4- Ống dẫn chất truyền nhiệt ra5 – Nắp lò phản ứng6.7.8.9 – Hệ thống điều khiển phản ứng dây truyền10 – Gá đỡ trên11 – Vùng phản ứng (hoạt động)12 – Thanh nhiên liệu13 – Bộ phận làm mát lớp vỏ bảo vệ sinh học14 – Gá đỡ dưới. Thanh nhiên liệu: Nguyên liệu thường được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân là Uran-235, Uran-233, hoặc Plutoni-239. Phản ứng dây truyền được xẩy ra dưới tác động ban đầu của các notron. Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu Uran-235 nghèo, notron kích hoạt là các notron năng lượng thấp (notron chậm). Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng Pu-239 hoặc Uran-235 giầu, thường sử dụng notron kích hoạt có năng lượng lớn (notron nhanh). Các lò phản ứng hạt nhân thông thường hiện nay, sử dụng nguyên liệu UO2 chứa 5% Uran-235. Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển. Các dạng thanh nhiên liệu thường sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Chất làm chậm: Có nhiệm vụ làm giảm năng lượng của các hạt notron hình thành trong phản ứng dây truyền. Chất làm chậm thường sử dụng là nước H2O, nước nặng D2O hoặc graphite (than chì). Nước nặng có giá thành cao, nên chỉ sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu là Uran tự nhiên chưa qua làm giầu. Thông thường sử dụng nước làm chất làm chậm. Chất phản xạ: Có nhiệm vụ làm tăng số lượng các hạt notron trong vùng phản ứng, không cho các hạt notron bắn ra ngoài, và làm các hạt notron phân bố đều trong vùng phản ứng (hoạt động). Có thể kết hợp chất làm chậm và chất phản xạ (nước, graphite) hoặc có thể dùng Uran tự nhiên. Chất truyền nhiệt: Truyền nhiệt năng từ vùng phản ứng ra 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, khí gas, hoặc kim loại nóng chảy (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 truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng đem đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbin. 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 sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas… kim loại lỏng, tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là nước. Thiết bị của các vòng truyền nhiệt sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bảo vệ sinh học. 1.2. Phân loại các lò phản ứng hạt nhân: Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng. Lò phản ứng nước – nước: Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa. 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 turbin. 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 động, sau đó được đưa tới turbin. Lò phản ứng graphite: Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản ứng graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng chẩy. Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt. Bao quanh các ống dẫn là graphite. Ở nhiệt độ cao, graphite xẩy ra phản ứng với không khí, do đó chất làm chậm graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại. Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dầy, khí trơ Heli hoặc CO2 bơm vào bên trong lò phản ứng. Cấu tạo lò phản ứng graphite – РБМК -10001. Vùng phản ứng (hoạt động).2. Ống dẫn hơi nước.3. Bộ phân tách hơi nước.4. Bơm chính.5. Cổ góp điện.6. Ống dẫn nước làm chất truyền nhiệt.7. Lớp bảo vệ sinh học phía trên.8. Hệ thống khởi động lò.9. Lớp bảo vệ sinh học phía dưới Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt năng lượng lớn (notron nhanh): Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U235 và Pu239 được làm giầu (15%). Phản ứng dây truyền xẩy ra dưới tác động kích hoạt của các notron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U238 hoặc Th232 có nhiệm vụ hấp thu toàn bộ các hạt notron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U238 và Th232 khi hấp thụ notron sẽ trở thành Pu239, U233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế.Trong lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm notron. kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giầu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 kW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn. Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được sử dụng là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giầu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác. Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm. Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường. Nó dùng graphite 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 1.600oC trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp tới turbin. 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. Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới ABWR - Lò nước sôi cải tiếnAGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.BWR - Lò nước sôiFBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat năng lượng lớn (notron nhanh)GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm.HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm chậm.РБМК - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt.PHWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt và làm chậmPWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt.SGHWR - Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệtВВЭР - Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR) Các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới ( thế hệ thứ 4 ). Lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí (gas-cooled fast reactor - GFR) Lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì (lead-cooled fast reactor - LFR) Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR) Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled reactor - SCWR) Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (very high temperature reactor - VHTR)/Nhà máy hạt nhân thế hệ tiếp theo (next - generation nuclear plant - NGNP) Nguyên lý hoạt động của thiết bị năng lượng nguyên tử. 2.1. nhiên liệu dùng cho nhà máy hạt nhân. Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng phân hạch như Uranium hoặc Plutonium. Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7% 235U phân hạch, nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm than chì. Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền, nhưng khả năng hấp thu nơtron lớn, nên không thể sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ. Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium được làm giàu trên dưới 4% ở dạng ôxít Uranium. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh. Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt. Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi là chất làm chậm. Tính chất của chất làm chậm như sau: a. Hấp thu nơtron hiệu quả. b. Giảm tốc độ của nơtron 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 chất làm chậm thông thường: 1. Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thu nơtron một cách lãng phí. 2. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt; do không hấp thu nơtron một cách lãng phí, nên có thể nói đây là chất làm giảm tốc lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều chế. 3. Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại ít hấp thu nơtron và giá tương đối rẻ. 2.2. nguyên Lý hoạt động 1) "Reactor" (Tạm dịch là "Lò phản ứng nguyên tử): Gồm có 1 lò phản ứng nguyên tử và các bộ phận kiểm soát, điều hòa sự phát nhiệt năng.2) "Primary System" (Tạm dich là Hệ Thống Chính): Gồm có các hệ thống nước hay nước nặng ("Water": H2O hay là "Heavy Water": D2O) luân lưu để lấy nhiệt năng từ lò phản ứng (Nuclear Reactor).3) "Secondary System" (Tạm dịch là Hệ thống Phụ) gồm các mạch nước thường, chuyển nhiệt ("Heat Exchanger") từ Hệ Thống Chính, tạo ra hơi nước thường (H2O) ở nhiệt độ và áp suất cao, dùng để phun vào, làm quay những "Turbine" sinh ra điện như "Dynamo". Hơi nước nóng chạy "Turbine" được tận dụng đến tối đa để tránh phí phạm nhiên liệu nguyên tử, và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường (Tăng nhiệt độ của sông ngòi do hơi nước nóng thải ra).4) "Electrical System": (Tạm dịch là Hệ Thống Điện) Gồm các hệ thống liên quan đến mạch điện bên trong nhà máy, điều chỉnh lương điện phát ra để cung cấp cho giới tiêu thụ. Hơn nữa, còn có "Feed Back" qua các "System" khác để điều hòa công suất. Và khi khởi động toàn bộ nhà máy, một hệ thống phát điện nhỏ, riêng rẽ được xử dụng."System" nào cũng có những hệ thống báo động, và các hệ thống tự động đóng hay mở các "Valve" nước và các mạch điện khác nhau, tùy theo từng sự việc bất bình thường hay nguy cấp xẩy đến. Hình 3: Sơ đồ hoạt động của NMNĐ.