Lò phản ứng hạt nhân – Wikipedia tiếng Việt

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, thực hiện và kiểm soát phản ứng hạt nhân. Trong thực tế có hai loại chính.

1. Lò phản ứng hạt nhân phát sinh năng lượng nhiệt là loại lò duy trì và kiểm soát phản ứng dây chuyền hạt nhân xảy ra một cách ổn định bên trong khối nhiên liệu hạt nhân nhằm thu được nhiệt lượng. Đây là loại phổ biến nhất, đến mức “lò phản ứng hạt nhân” thường được hiểu là loại này.
2. Lò phản ứng hạt nhân dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc chế tạo đồng vị. Các cơ sở chế tạo đồng vị phóng xạ thực hiện phản ứng hạt nhân trong loại lò này rồi tách chiết ra những đồng vị phóng xạ rồi cung cấp cho các nhu cầu về nghiên cứu khoa học, đo lường, y tế,…

Tại Nước Ta hiện có 1 lò nghiên cứu và điều tra kiểu IVV-9, đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. [ 1 ] Các lò phát nguồn năng lượng đang trong kế hoạch thiết kế xây dựng tại những xí nghiệp sản xuất điện hạt nhân Ninh Thuận .Nhiên liệu hạt nhân là những đồng vị có năng lực thực thi phản ứng hạt nhân sinh nhiệt. Trong ứng dụng thực tiễn lúc bấy giờ chỉ có urani 235, Urani-233 | urani 233 và plutoni 239 là đồng vị có năng lực xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân trấn áp được để tạo phản ứng dây chuyền sản xuất. Phản ứng tổng hợp deuteri → heli sinh nhiệt cao, nhưng chưa trấn áp được .

Lò phản ứng hạt nhân phát nhiệt thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà máy phát điện, và một số tàu ngầm, tàu sân bay, tàu phá băng,… Điều này thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để sinh hơi nước làm quay tuốc bin hơi nước.[2]

Trong tự nhiên tại các mỏ urani các điều kiện sinh quặng có thể ngẫu nhiên tạo ra vùng nhất định trong tầng quặng urani có hàm lượng đủ giàu và khối lượng đủ lớn để phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì xảy ra, tạo ra lò phản ứng phân hạch hạt nhân tự nhiên. Điều này đã xảy ra ở mỏ urani Oklo tại nước Gabon vùng trung châu Phi hồi 1,7 tỷ năm trước đây. Phản ứng dây chuyền hạt nhân đã duy trì trong một vài trăm ngàn năm, đến khi hàm lượng Urani 235 giảm xuống dưới mức khả dĩ để duy trì phản ứng [3][4][5].

Nguyên tắc hoạt động giải trí[sửa|sửa mã nguồn]

Cũng như những nhà máy sản xuất điện thông thường tạo ra điện bằng cách khai thác nguồn năng lượng nhiệt từ việc đốt nguyên vật liệu hóa thạch, những lò phản ứng hạt nhân biến hóa nguồn năng lượng nhiệt phát ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân .
235U khi hấp thụ một Biểu diễn phân hạch của hạt nhânU khi hấp thụ một neutron

Sự phân hạch[sửa|sửa mã nguồn]

Trong tự nhiên một số hạt nhân đồng vị phóng xạ nặng như Urani 235 hoặc Plutoni 239 có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân. Khi một hạt nhân nguyên tử này hấp thụ một neutron, nó chuyển sang trạng thái kích thích với số nguyên tử lượng tăng 1, ví dụ 235U thành 236U, sau đó chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng ra nhiều năng lượng, bức xạ gamma và khoảng 2 – 3 neutron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch.[6] Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch diễn ra thành phản ứng dây chuyền.

Tùy theo mức độ để thất thoát neutron ra khỏi khối vật liệu phân hạch mà phản ứng dây chuyền diễn ra theo cách khác nhau. Trong thực tế người ta dùng giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối, và gọi là hệ số nhân neutron hiệu dụng K. Hệ số này phụ thuộc các yếu tố gồm khối lượng, mật độ, hình dạng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, nhiệt độ, và môi trường xung quanh. Trong số đó khối lượng có vai trò quan trọng, và khối lượng tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định gọi là khối lượng tới hạn.

• Phản ứng dây chuyền tự tắt: có K<1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng ít hơn số cần để duy trì như cũ. Các phản ứng xảy ra ở mức “vết”, với số lượng tỷ lệ với khối lượng đồng vị phân hạch có trong khối.
• Phản ứng dây chuyền tự duy trì: có K=1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng bằng số cần để duy trì phản ứng. Đây là trạng thái cần duy trì trong lò phản ứng hạt nhân.
• Phản ứng dây chuyền bùng nổ: có K>1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng lớn hơn số cần để duy trì phản ứng, làm cho số phản ứng tăng theo cấp số nhân. Trạng thái này có thể đẩy hệ thống thành mất kiểm soát, dẫn đến bùng nổ, và được ứng dụng trong chế tạo bom hạt nhân.

Trong lò phản ứng thì khối lượng vật liệu phân hạch được bố trí ở mức khối lượng tới hạn, và thực hiện kiểm soát và điều chỉnh về đúng mức K=1 bằng các khối vật liệu của hai dạng tác động tới neutron:

• phản xạ hoặc/và làm chậm neutron để tăng số neutron hoạt động;
• hấp thụ neutron để giảm số neutron hoạt động, thường dùng là than chì.

Thông thường thì khối phản xạ – làm chậm được bố trí cố định ở buồng phản ứng của lò, còn các hấp thụ neutron
được điều chỉnh ở vị trí thích hợp và chính xác. Khi có sự cố thì các khối hấp thụ được đẩy sâu vào vùng vật liệu phân hạch, hấp thụ nhiều neutron, đẩy hệ số về K<1 làm tắt phản ứng.

Các nguyên vật liệu hấp thụ neutron thường được sử dụng như nước nhẹ ( 75 % những lò phản ứng trên quốc tế ) than chì rắn ( 20 % ) và nước nặng ( 5 % ). Beryli cũng đã từng được sử dụng trong một số ít kiểu thí nghiệm, và hydrocarbon đã từng được yêu cầu sử dụng để duy trì trạng thái không thay đổi. [ 7 ]
Lõi lò phản ứng tạo ra nhiệt theo một số ít bước sau :

• Động năng của sản phẩm từ phản ứng phân hạch được chuyển đổi thành nhiệt năng khi những hạt nhân đó va chạm vào những nguyên tử gần đó.
• Một số tia gamma tạo ra từ phản ứng phân hạch được lò phản ứng hấp thụ, và năng lượng đó được biến đổi thành nhiệt.
• Nhiệt năng tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của sản phẩm và nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch đó được kích hoạt bởi sự hấp thụ neutron. Nguồn nhiệt phóng xạ đó sẽ còn dư cho trường hợp lò phản ứng tạm ngưng hoạt động.

1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) chuyển đổi qua quá trình phản ứng hạt nhân giải phóng ra xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng mà 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường (

7.2
×

10

13

{\displaystyle 7.2\times 10^{13}}

jun/kilogram của uranium-235 so với

2.4
×

10

7

{\displaystyle 2.4\times 10^{7}}

jun/kilogram của than đá).

Chất làm mát lò phản ứng hạt nhân — thường là nước nhưng nhiều lúc là khí hoặc sắt kẽm kim loại lỏng ( như natri lỏng ) hoặc muối nóng chảy — được lưu thông qua lõi lò phản ứng để hấp thụ nhiệt mà nó tạo ra. Nhiệt được mang đi từ lò phản ứng và sau đó được sử dụng để tạo hơi nước. Hầu hết những mạng lưới hệ thống lò phản ứng sử dụng một mạng lưới hệ thống làm mát được tách biệt vật lý với nước sẽ được đun sôi để tạo ra hơi áp suất cho những tuabin, giống như lò phản ứng nước điều áp. Tuy nhiên, trong một số ít lò phản ứng, nước cho tua bin hơi được đun sôi trực tiếp bởi lõi lò phản ứng ; ví dụ lò phản ứng nước sôi. [ 8 ]

Kiểm soát phản ứng[sửa|sửa mã nguồn]

Việc tinh chỉnh và điều khiển này được triển khai bởi những thanh điều khiển và tinh chỉnh sản xuất bằng vật tư hấp thụ neutron như cadmi .Khi số neutron trong lò tăng lên quá nhiều ( k > 1 ), người ta cho những thanh tinh chỉnh và điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nguyên vật liệu phân hạch để hấp thụ neutron thừa. Năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng sẽ không đổi theo thời hạn .

Năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần trong đó có thể được chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được. Một phương pháp phổ biến nhằm khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng nó đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao mà sau đó sẽ quay một tua bin hơi nước và tạo ra điện.

Nhân viên trong xí nghiệp sản xuất điện hạt nhân[sửa|sửa mã nguồn]

Nhà máy điện hạt nhân thường sử dụng chỉ dưới một nghìn người mỗi lò phản ứng (bao gồm cả nhân viên bảo vệ và các kỹ sư)[cần dẫn nguồn].

Các loại nhà máy sản xuất điện hạt nhân[sửa|sửa mã nguồn]

Cách phân loại Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo 1 số ít giải pháp như sau :

• Phân loại theo mục đích sử dụng
• Phân loại theo chất làm chậm
• Phân loại theo năng lượng của neutron
• Phân loại theo công suất
• Phân loại theo thế hệ lò
• Phân loại theo loại hình phản ứng hạt nhân
• Phân loại theo chất điều tiết
• Phân loại theo chất làm mát
• Phân loại theo cấp bậc
• Phân loại theo mục đích sử dụng

Nếu phân theo mô hình phản ứng thì tất cả chúng ta có 5 kiểu lò phản ứng hạt nhân :

1. Lò nước nhẹ
2. Lò nước nặng
3. Lò khí nhiệt độ cao
4. Hệ lò dùng máy gia tốc
5. Lò nơron nhanh

Điều khiển và quản lý và vận hành[sửa|sửa mã nguồn]

Nhiên liệu phân hạch trong phần nhiều những lò phản ứng là U235 hay Pu239 .Nhờ vào năng lực hấp thụ neutron tốt nên Bo được ứng dụng vào điều khiển và tinh chỉnh và quản lý và vận hành lò phản ứng hạt nhân để đưa lò về trạng thái cân đối ( k = 1 )Có 2 cách điều khiển và tinh chỉnh lò phản ứng hạt nhân : Điều khiển bằng dung dịch ( axit Bo ) và tinh chỉnh và điều khiển bằng cơ học ( Bằng hoạt động của những thanh điều khiển và tinh chỉnh )Điều khiển bằng dung dịch axit Bo là quy trình tinh chỉnh và điều khiển lâu dài hơn, chậm. Khi lò mở màn hoạt động giải trí thì nồng độ của Bo ở mức 9 g / kg và tới cuối thời hạn quản lý và vận hành của xí nghiệp sản xuất, nồng độ này dần tới 0 .Điều khiển cơ học bằng việc cho thanh điều khiển và tinh chỉnh trong đó có chứa Bo hoạt động lên hoặc xuống vùng hoạt của lò phản ứng. Điều khiển này thường nhằm mục đích đổi khác nhanh gọn trạng thái của lò .Thanh nguyên vật liệu của lò phản ứng hạt nhân được làm ở dạng dài bên ngoài được bọc kín bằng sắt kẽm kim loại có nhiệt độ nóng cháy cao, bên trong là là nguyên vật liệu. Nhiên liệu được làm thành những viên trụ rời nhau, ở giữa có 1 lỗ nhỏ. Ở đỉnh của thanh nhiên liệu có 1 khoang nhỏ nhằm mục đích chứa những loại sản phẩm khí sinh ra trong quy trình thao tác. Ở những lò thế hệ sau văn minh hơn như lò PWR-1200 thì trong thanh nguyên vật liệu còn có chứa thêm thành phần Cd, nó giúp lò hoạt động giải trí hiệu suất cao và bảo đảm an toàn hơn. [ 9 ]Chất làm mát ( chất tản nhiệt ) chạy xung quanh những thanh nhiên liệu lấy nhiệt và làm mát thanh nhiên liệu .Chất làm chậm neutron cũng được sắp xếp xen kẽ thích hợp trong lò sao cho mỗi lần phân hạch khi nào cũng có tối thiểu một neutron liên tục gây ra một phân hạch khác., trong lò PWR thì chất làm mát, chất làm chậm đều là nước. Ở 1 số ít lò khác là graphit ( than chì ), nước nặng, beryli …Trong 1 số ít trường hợp cần dừng lò khẩn cấp thì thanh điều khiển và tinh chỉnh được sập xuống tối đa, dung dịch axit Bo được bơm vào vùng hoạt của lò .

Khi lò bắt đầu hoạt động,thì số neutron tự sinh ra là rất ít, nó không đủ để gây ra phản ứng dây chuyền. Người ta đã dùng phản ứng của Heli để sinh ra những dòng Netron kích thích cho phản ứng dây chuyền.

Động năng của những mảnh phân hạch và neutron được biến hóa thành nguồn năng lượng nhiệt. Thành thử, lò phản ứng là một nguồn nhiệt khổng lồ hoàn toàn có thể tạo ra những nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng tạo ra được một chất tải nhiệt tải đi theo những ống dẫn chạy qua vùng TT lò ( chất tải nhiệt hoàn toàn có thể là nước, sắt kẽm kim loại ( Natri ), hoặc khí ( CO2 ), Chì, ). Trong nhiều trường hợp người ta dùng nước là chất làm chậm, đồng thời làm chất tải nhiệt .
9. Phân loại những kiểu lò phản ứng hạt nhân http://khoahoc.tv/phan-loai-cac-lo-phan-ung-hat-nhan-65346

Source: https://thevesta.vn
Category: Bản Tin