Lò phản ứng hạt nhân

ThS. NGUYỄN HỮU KHOA

1. Lịch sử phát triển

Từ những năm đầu của thập niên 50, năng lượng lấy từ phản ứng hạt nhân đã được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển.

Hình 1 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

1.1 Thế hệ lò phản ứng thứ I

Thế hệ lò phản ứng hạt nhân thứ I gồm có các lò như: Shippingport của Mỹ,  Dresden 1, Calder Hall 1, Magnox của Anh hay UNGG của Pháp phần lớn chúng đều đã hoặc đang tháo dỡ do không còn hiệu quả cao và độ an toàn thấp.

Công suất cực đại của nhà máy bị giới hạn bởi thời gian tiếp nhiên liệu cho lò phản ứng, nhiên liệu sử dụng là nguồn Uranium tự nhiên nên yêu cầu thay thế nhiên liệu nhiều hơn lò phản ứng sử dụng nhiên liệu đã được làm giàu.

Lò hơi và ống dẫn gas được đặt bên ngoài lớp bảo vệ sinh học bằng bê tông, các thiết bị này phát ra trực tiếp tia gamma và bức xạ neutron.

1.2 Thế hệ lò phản ứng thứ II

Lò thế hệ thứ hai gồm các kiểu lò: PWR (Pressurized Water Reactor - lò nước áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – Lò nước sôi), VVER và RBMK (Nga), CANDU sử dụng nước nặng (Canada), AGR…              

Hình 3 Lò PWR và BWR

PWR ban đầu phục vụ quân sự. Hệ thống thứ nhất của lò phản ứng được thiết kế không làm sôi nước mà chỉ truyền nhiệt sang hệ thống thứ hai để tạo ra hơi nước, do đó hơi nước làm quay turbine không bị nhiễm xạ.

BWR được sử dụng vì mục đích hòa bình là phát điện. Nước được làm sôi trong hệ thống thứ nhất của lò phản ứng và dùng hơi nước đó làm quay turbine, do vậy turbine sẽ bị nhiễm xạ trong lúc vận hành.

1.3 Thế hệ lò phản ứng thứ III

Các lò phản ứng ở thế hệ thứ III được phát triển trong những năm 1990 với ưu thế là khả năng tự động cao hơn hế hệ thứ II, công nghệ nhiên liệu được cải tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn và độ an toàn cao hơn.

Tiêu biểu là ABWR (Advanced Boiling Water Reactor-lò nước sôi cải tiến) được phát triển bởi của Hitachi-GE hoặc Toshiba-WH; APWR được phát triển bởi MHI, AREVA.

            Hình 4 nhà máy điện hạt nhân thế hệ III,  ABWR

1.4 Thế hệ lò thứ IV

Lò phản ứng thế hệ thứ IV đang được 13 quốc gia (vùng lãnh thổ) nghiên cứu trong khuôn khổ Hiệp định Forum International generation (FIG), do Mỹ đề xướng từ năm 2000.

Ngoài việc sản xuất điện năng, thế hệ Lò phản ứng thứ IV  còn sản xuất  khí Hydro, nhân tố cần thiết cho một số công nghệ tiên tiến hiện nay.

2. Lò phản ứng kiểu nước sôi ( BWR, ABWR) 

2.1 Boiled Water Reactor – Lò nước sôi

BWR sử dụng nước khử khoáng (nước nhẹ - light water) làm chất tải nhiệt và chất làm chậm neutron. Nhiệt sinh ra tại tâm lò phản ứng sẽ làm cho nước bay hơi, hơi nước sinh ra  được chuyển trực tiếp tới turbine và làm quay máy phát điện, sau đó nó sẽ được ngưng tụ thành chất lỏng (dạng nước) và chuyển trở lại tâm lò phản ứng. Nước tải nhiệt được duy trì ở 75atm (7.6Mpa) vì vậy nước sôi ở tâm lò phản ứng có nhiệt độ khoảng 285⁰C (550⁰F).

Ưu điểm:

-Lớp vỏ lò phản ứng và các phần tử liên kết với nó được vận hành ở áp lực thấp hơn (khoảng 75 lần so với áp khí quyển) so với lò PWR (khoảng 158 lần so với áp khí quyển).

-Nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ thấp hơn.

-Không có thiết bị sinh hơi.

-Rủi ro gẫy nứt do thiếu hụt chất tải nhiệt ít hơn so với PWR, và rủi ro hư hỏng tâm lò cũng ít hơn.

-Việc đo lường mực nước trong lớp vỏ áp lực ờ điều kiện vận hành bình thường và khẩn cấp là giống nhau, các kết quả thu được sẽ trực quan và dễ đánh giá hơn.

-Có thể vận hành thấp hơn mật độ công suất ở tâm lò  nhờ sử dụng hệ thống tuần hoàn tự nhiên, không cần dòng cưỡng bức.

- Lò BWR có thể được thiết kế vận hành mà chỉ sử dụng hệ thống tuần hoàn tự nhiên, vì vậy các bơm tuần hoàn kín được loại bỏ hoàn toàn.

-BWR không sử dụng Axit Boric để điều khiển phản ứng phân hạch, do đó nó sẽ làm giảm khả năng ăn mòn bên trong lò phản ứng và trong các đường ống.

Nhược điểm:

-Các tính toán phức tạp về việc quản lý tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân trong suốt quá trình vận hành cả giai đoạn hơi và nước tại phần trên của tâm lò. Nó đòi hỏi nhiều thiết bị đo hơn trong tâm lò phản ứng.

-Cùng một công suất thiết kế nhưng BWR đòi hỏi lớp vỏ áp lực lớn hơn nhiều so với PWR,  do đó giá thành sẽ cao hơn (tuy nhiên giá thành tổng lại giảm do BWR không có hệ thống sinh hơi và các đường ống liên kết).

-Do không có vòng thứ hai nên turbine sẽ bị nhiễm xạ trong thời gian vận hành.

-Các thanh điều khiển được lắp từ bên dưới của lò phản ứng. Có hai nguồn thủy lực đẩy trục điều khiển vào tâm lò khi có tình huống khẩn cấp, một là từ nguồn tích năng thủy lực được thiết kế riêng, hai là từ chính nguồn áp lực của lò phản ứng, cả hai nguồn này đều có khả năng điều khiển từng trục một. 

2.2 ABWR (Advanced Boiling Water Reactor-lò nước sôi cải tiến)

Lò phản ứng nước sôi cải tiến ABWR được thiết kế bởi GE (General Electric) và hiện tại là liên kết giữa GE và Hitachi. Thuộc thế hệ lò phản ứng thứ III, với những cải tiến về kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế. Công suất hiện tại từ khoảng 1350 – 1460 MW.

Lò ABWR thương mại đầu tiên được vận hành tại Kashiwazaki-Kariwa (Nhật Bản) vào năm 1996.

So với BWR, APWR có những cải tiến sau:

-Các máy bơm bên ngoài lò phản ứng được thêm vào dưới đáy của vỏ áp lực, cải thiện hiệu suất và giảm bớt kết cấu các ống phức tạp và có đường kính lớn bên dưới lò phản ứng.

-Khả năng điều chỉnh trục điều khiển được bổ xung thêm thiết bị điều khiển trục bằng điện thủy lực, nó cho phép tinh chỉnh các vị trí mong muốn mà không giảm đi độ tin cậy hoặc sự dư thừa so với các hệ thống trước đó. Hệ thống thực hiện nhanh chống việc shutdown chỉ trong 2.8 giây kể từ lúc nhận được tín hiệu.

-Hệ thống bảo vệ lò phản ứng được số hóa hoàn toàn, đảm bảo độ tin cậy ở mức độ cao cùng với sự đơn giản hóa việc nhận biết và đáp lại các điều kiện an toàn.

-Hệ thống điều khiển lò phản ứng được số hóa hoàn toàn sẽ cho phép Phòng điều khiển dễ dàng trong việc điều khiển vận hành nhà máy và các tiến trình khác.

 -Khối nhà lò phản ứng đã được đáng kể so với các kiểu lò trước đó. Đáng kể nhất là ABWR đã có nhiều lớp được gia cố giữa phần bên trong của khối nhà và bức tường bảo vệ phía ngoài, và có dạng lập phương.

-Máy phát điện Turbine của ABWR sản xuất ra một lượng công suất lớn hơn, với hiệu suất nhiệt cao hơn so với các loại máy BWR truyền thống.

- Thời gian xây dựng ngắn hơn, khoảng 39 tháng.

Hình 6 So sánh cấu trúc lò BWR và ABWR

Hình 7 Quá trình phát triển của BWR-ABWR

3. Lò nước áp lực (PWR, APWR)

Hầu hết các loại Lò phản ứng đang sử dụng trên Thế giới hiện nay đều thuộc kiều lò PWR, sử dụng nhiên liệu Uranium U²³⁵ được làm giàu khoảng 3.2%.

Nước áp lực cao trong lò phản ứng vừa là chất tải nhiệt, vừa là chất làm chậm, nó được dẫn qua thiết bị sinh hơi để tạo ra hơi nước và làm quay turbine của máy phát điện.

Một Lò phản ứng PWR có từ 150 – 250 Khối nhiên liệu, mỗi Khối nhiên liệu có từ 200 – 300 Viên nhiên liệu trong nó. Như vậy khi Lò phản ứng đang vận hành thì trong tâm lò phản ứng thường có từ 80 – 100 tấn Uranium.

 Nước trong tâm Lò phản ứng ở vào khoảng 325⁰C, vì vậy nó phải được giữ khoảng 150 lần áp suất khí quyển để ngăn cản nước sôi. Áp lực này sẽ được duy trì bởi hơi trong thiết bị tạo áp lực. Nước trong vong thứ cấp sẽ có áp lực thấp hơn trong vòng sơ cấp.

Ưu điểm:

- Lò phản ứng PWR khá ổn định do có khuynh hướng giảm công suất khi nhiệt độ của lò phản ứng tăng lên, điều này giúp dễ vận hành hơn từ phương diện về độ ổn định.

- Hệ thống có thêm Vòng tuần hoàn thứ cấp, nên hơi nước làm quay Turbine sẽ không bị nhiễm xạ.

- Các thanh điều khiển được đặt phía trên lò phản ứng và chèn trực tiếp vào các khối nhiên liệu, chúng sẽ được di chuyển bởi các nguyên nhân:

+ Khởi động lò phản ứng.

+ Shutdown lò phản ứng.

+ Điều tiết trong khoảng thời gian ngắn như việc thay đồi tải của Turbine.

Nhược điểm:

-Chất tải nhiệt chịu áp lực cao để duy trì trạng thái chất lỏng ở nhiệt độ cao, đòi hỏi các đường ống phải có độ bền cao và lớp vỏ áp lực phải cứng hơn,  đồng nghĩa với giá thành xây dựng sẽ tăng.

- Lớp vỏ áp lực của Lò phản ứng được làm từ thép dẻo nhưng khi lò được vận hành thì các luồng neutron từ tâm lò sẽ làm cho thép mất đi tính mềm dẽo của nó, cần phải sửa chữa hoặc thay thế, điều này không có ích về mặc kinh tế.

-Lò phản ứng PWR không thể nạp nhiên liệu trong khi vận hành,  phải có một khoảng thời gian ngừng (khoảng 14 ngày).

-Chất tải nhiệt có hòa tan Axit Boric khi ở nhiệt độ cao sẽ phá hủy dần các thiết bị thép Carbon trong vòng sơ cấp. Điều này không chỉ giới hạn vòng đời của nhà máy mà còn đòi hỏi phải lọc sạch các sản phẩm ăn mòn.

Hình 9 Tổ máy Tomari số 3, Hokkaido Electric Power Co

-Nhà máy PWR mới nhất tại Nhật Bản là Tomari số 3, công suất 912 MW, vận hành thương mại 12/2009 với nhiều thiết kế hiện đại và độ an toàn cao từ MHI.

APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) lò áp lực cải tiến – được phát triển bởi  Mitsubishi Heavy Industries (MHI) từ năm 1992, công suất 1200MW-1700MW.

Hình 10 Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân công nghệ APWR

Hiện tại chưa có nhà máy nào theo công nghệ APWR được đưa vào vận hành tại Nhật Bản, một số dự án APWR như: Sendai-3, Tsuruga-3,4 được tạm ngừng xây dựng theo lệnh từ chính phủ do ảnh hưởng từ thảm họa sóng thần tháng 3/2011.

             Nguồn: Công ty hợp tác quốc tế điện lực Nhật Bản – JEPIC năm 2011

4. Lò áp lực WER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor)

VVER thuộc loại lò phản ứng áp lực, được phát triển theo công nghệ Nga. Lò VVER đầu tiên được xây dựng trước năm 1970. Hiện nay việc vận hành VVER an toàn hơn các thiết kế RPMK (thiết kế của nhà máy Chernobyl).

Hình 11 Nguyên lý Lò VVER

Nước được sử dụng như chất làm chậm và chất tải nhiệt. Các thanh nhiên liệu của Lò phản ứng được giử trong nước với áp lực là 15Mpa và nhiệt độ vận hành vào khoảng 200-300⁰C.

Nhiên liệu được làm giàu ở mức độ thấp, khoảng từ 2.4 – 4.4%. Cường độ phản ứng hạt nhân được điều khiển bởi các trục điều khiển đặt trên phía trên lò phản ứng.

Kiểu lò VVER – 1200 được xem như Lò phản ứng thuộc thế hệ thứ III. Với công suất từ 1150 – 1200 MWe, hiệu suất 36,56%.

Hình 12 Cấu trúc lò VVER với thiết bị sinh hơi đặt ngang

VVER-1200 còn có đầy đủ một hệ thống khẩn cấp bao gồm một hệ thống làm lạnh tâm lò khẩn cấp, hệ thống cung cấp điện dự phòng bằng động cơ Diesel, máy nạp nhiên liệu cải tiến, hệ thống vi tính điều khiển lò phản ứng, hệ thống cấp nước dự phòng và hệ thống hãm lò phản ứng.

Trong trường hợp tai nạn do thất thoát chất tải nhiệt hoặc do mất công suất, turbine phát điện sẽ được dừng lại trong khoảng thời gian 30 giây, và trong suốt thời gian shutdown hệ thống sẽ dùng nguồn dự phòng của mình. Nguồn công suất khẩn cấp sẽ được lấy từ máy phát Diesel, có thể duy trì sự lưu thông chất tải nhiệt để làm mát lò phản ứng.

Các nghiên cứu thiết kế gần đây cho phép mở rộng vòng đời của nhà máy VVER 1200 lên đến 50 năm, với việc cần thiết thay thế một số thiết bị trong quá trình vận hành.

Nhà máy Ninh Thuận 1 (2x1000MW) sẽ được xây dựng theo công nghệ lò VVER thế hệ mới nhất, dự kiến sẽ đi vào vận hành thương mại năm 2020.

Nhà máy Ninh Thuận 2 (2x1000MW) do Nhật Bản xây dựng, phương án cụ thể là ABWR hay APWR hoặc PWR hiện đại tương tự như Tomari-3 … vẫn chưa được quyết định.

Thạc sĩ Nguyễn Hữu Khoa (Trường Cao đẳng Điện lực Tp HCM)