Boiling water reactor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH ((( Đề Tài: Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH ((( Đề Tài: GVHD: ThS. Trần Thiện Thanh NSVTH: Lê Huy Ba Duy Nguyễn Văn Quang Nguyễn Thị Kim Xuyến Nguyễn Thị Thanh ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM. KHOA VẬT LÝ. LỚP LÝ 4 CN (K33) LÔØI GIÔÙI THIEÄU Trên phạm vi toàn cầu, năng lượng nguyên tử là vô cùng cần thiết và muốn hay không cũng phải phát triển năng lượng nguyên tử (NLNT) vì sự tồn tại và phát triển của nhân loại. Như chúng ta đã biết, dân số thế giới hiện nay là hơn 6 tỷ người và hàng năm tăng thêm khoảng 80 triệu người, tương đương với dân số Việt Nam hiện nay. Dân số tăng đương nhiên dẫn tới tăng mức tiêu thụ năng lượng. Hiện nay, nguồn năng lượng phục vụ cho con người chủ yếu lấy từ các nguồn năng lượng hoá thạch như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Người ta cũng đã tranh luận rất nhiều xung quanh vấn đề nguyên liệu hoá thạch còn tồn tại được bao lâu? Có một điều chắc chắn là nguồn năng lượng hoá thạch cũng chỉ có hạn. Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng quốc tế thì than đá, mặc dù có trữ lượng tương đối phong phú, nhưng cũng chỉ khai thác được trong vòng 230 năm là cạn kiệt, còn dầu mỏ là 43 năm và khí thiên nhiên là 62 năm. Trong khi đó, nhiên liệu Uran nếu tái xử lý có thể sử dụng hàng ngàn năm, chưa kể Thori cũng có thể dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện hạt nhân.Vấn đề sử dụng các dạng năng lượng mới như gió, mặt trời, thuỷ triều, điện nhiệt… cũng đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này cũng chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Vì vậy, để trả lời câu hỏi về giải pháp nguồn năng lượng mới. Và tìm hiểu xem họ đã làm thế nào để dần thay thế năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Hãy cùng nhóm SUNRISE của chúng tôi tìm hiểu về nhà máy điện nguyên tử BOILING WATER REACTOR. MUÏC LUÏC LỜI GIỚI THIỆU 0 MỤC LỤC 1 CHƯƠNG I. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ PHẢN ỨNG 2 I.1. GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN 2 I.1.a. Thế hệ I (1950 – 1960) 2 I.1.b. Thế hệ II 3 I.1.c. Lò thế hệ III và III+: 4 I.1.d. Lò thế hệ IV 5 I.2. PHÂN LOẠI CÁC LOẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 6 I.2.a. Lò phản ứng nước – nước: 6 I.2.b. Lò phản ứng graphite: 6 I.2.c. Lò phản ứng sử dụng neutron kích hoạt năng lượng lớn (neutron nhanh): 7 I.2.d. Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm. 7 CHƯƠNG II. CÔNG NGHỆ , NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA LÒ BWR 8 II.1. CÔNG NGHỆ LÒ BWR 8 II.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG 9 II.3. CẤU TẠO LÒ BWR 9 II.3.a. Hệ thống bình lò phản ứng 9 II.3.b. Hệ thống thanh nhiên liệu 10 II.3.c. Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát) 10 II.3.d. Nồi áp lực lò phản ứng(RPV) 11 II.3.e. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng 12 II.3.f. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn 12 II.3.g. Hệ thống các bơm tuần hoàn 13 II.3.h. Tuabin hơi nước 13 II.3.i. Hệ thống an toàn lò phản ứng 14 CHƯƠNG III. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA LÒ BWR 15 III.1. ƯU ĐIỂM 15 III.2. NHƯỢC ĐIỂM 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ PHẢN ỨNG GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN Thế hệ I (1950 – 1960) Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất được xây dựng vào những năm 1955-1965, tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vương quốc Anh. Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được phát triển để sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu có công suất khoảng 5.000 KW. Bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 ở Vương quốc Anh. Một số lò phản ứng điển hình của các lò thế I. Shippingport Lò phản ứng Shippingport được đưa vào vận hành năm 1957 tại Shippingport, Pennsylvania, Hoa Kỳ và hoạt động tới năm 1982. Là lò phản ứng nước áp lực. Làm chậm và làm lạnh bằng nước nhẹ H2O. Nhiên liêu: hợp kim Uranium UO2 làm giàu cao. Công suất 60 MW. Dresden-1 Lò phản ứng nước sôi thương mại đầu tiên. Bắt đầu xây dựng vào năm 1956 và được nối với mạng diện vào năm 1960. Ngưng hoạt động ngày 31/10/1978. Làm chậm và làm lạnh bằng nước nhẹ H2O. Nhiên liêu: hợp kim Uranium UO2 làm giàu cao. Công suất tổng: 207 MW. Thế hệ II Bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên 400 lò phản ứng vận hành thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước sôi (BWR). Các lò phản ứng này, thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR), sử dụng các phương pháp an toàn “chủ động” truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh. Một số hệ thống theo thiết kế còn vận hành kiểu thụ động (VD: sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến người điều khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng. Gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water Reactor – lò phản ứng áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò phản ứng nước sôi) của châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật; WER và RBMK (của Nga); Candu nước nặng (của Canada, Ấn Độ), HTGR (High Temperature Helium Gas), LMFR (Liquid metal cooled reactor). Lò nước sôi: Chỉ duy trì có một hệ thống nước. Nước vừa hấp thụ nhiệt từ các phản ứng hạt nhân trong lò để biến nước thành hơi nước và hơi nước với áp suất được dẫn thẳng đến tuabin để quay máy phát điện. Trong loại lò phản ứng này, nước được truyền qua lõi lò phản ứng, hoạt động như những dung dịch trung hòa và môi trường làm nguội, là nguồn hơi nước để làm quay tuabin. Lò BWR hoạt động ở điều kiện áp suất 70 atm, ở đó, nhiệt độ sôi của nước là 285oC. Môi trường nhiệt độ này làm cho hiệu suất Carnot chỉ đạt được 42%, thực tế nguồn điện năng sinh ra chỉ có khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nước dưới áp suất (PWR). Lò nước áp suất: Gồm hai hệ thống nước tách biệt và nước không pha trộn vào nhau. Hệ thống chính có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt. Tại đây, nhiệt được hệ thống nước thứ hai nhận và biến nước thành hơi nước. Dưới áp suất cao, dòng hơi nước này được dẫn vào tuabin để chạy máy phát điện. Lợi thế của loại lò này là sự rò rỉ nhiên liên sẽ không xảy ra ở hệ thống chứa chạy vào tuabin và máy nén. Lò thế hệ III và III+: Các lò chuyển tiếp thế hệ III được phát triển trong những năm 1990 với ưu thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu được cải tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn, độ an toàn cao hơn. Nó vận hành mà không cần đòi hỏi sự can thiệp của người vận hành. Thêm vào đó, các thiết kế trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng dưới tác động của các sự cố đột ngột xảy ra mà vẫn cho hiệu suất điện cao hơn. Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng thế hệ III được xây dựng đầu tiên ở Nhật Bản. Phần Lan là nước duy nhất ở EU đang xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ III EPR, mua của Pháp với giá ban đầu dự toán 2,5 tỷ Euro, sau đó, vì lý do an toàn phải chấp nhận tăng giá lên 4 tỷ Euro và chậm tiến độ 3 năm. Ngoài ra, hiện chỉ có Điện lực Pháp có dự kiến đặt mua một số lò thế hệ III EPR để thay thế các lò hết thời hạn vận hành vào khoảng các năm 2017-2022. Một số kiểu lò điển hình: Ap600 AP600 là một mô hình tương đối nhỏ, nhà máy điện hạt nhân công suất 600 MWe được thiết kế bởi Công ty Westinghouse Electric. AP600 này có các tính năng an toàn thụ động đặc trưng như các thế hệ lò phản ứng III. ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) Là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa trên lò phản ứng nước sôi, khởi đầu do General Electric (GE) thiết kế. Thiết kế chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có công suất khoảng 1.350 MW điện.Các bơm tuần hoàn bên trong bể áp suất lò phản ứng (RPV) là một cải tiến quan trọng so với các thiết kế nhà máy lò phản ứng GE trước đó, thay thế toàn bộ hệ thống bơm phun nằm ngoài có khả năng rò rỉ.Các lò phản ứng đầu tiên ứng dụng công nghệ bơm tuần hoàn trong do ASEA-Atom thiết kế (giờ đây do Toshiba sở hữu) và xây dựng ở Thuỵ Điển. Nhờ loại bỏ hệ thống bơm ngoài, nhà máy đạt hiệu suất cao hơn, tiết giảm chi phí và an toàn hơn. Lò thế hệ IV Về ý tưởng thiết kế, lò phản ứng thế hệ IV có mọi đặc điểm của các lò thế hệ III+, cộng thêm khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro, thu hồi nhiệt, và thậm chí cả việc khử muối mặn trong nước. Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử. Ngoài ra, các thiết kế này còn bao gồm việc quản lý các nguyên tố actinit. Actinit là các nguyên tố hoá học có số thứ tự nguyên tử từ 89 (Actini) tới 103 (Lôrenxi); thuật ngữ này thường áp dụng cho các nguyên tố nặng hơn Uran, còn được gọi là các chất siêu Uran. Các nguyên tố actinit đều là chất phóng xạ, thường có chu kỳ bán rã dài, và chiếm tỉ lệ đáng kể trong nhiên liệu thải từ các lò LWR. Nhìn chung, các hệ thống thế hệ IV bao gồm việc tái chế hoàn toàn các nguyên tố Actinit và các công trình chu kỳ nhiên liệu tại chỗ, dựa trên các phương án xử lý tiên tiến dùng nước (Aqueous), nhiệt luyện kim (pyrometallurgical) hoặc phương pháp khô khác. Tái xử lý tại chỗ cho phép giảm vận chuyển vật liệu hạt nhân, một vấn đề làm tăng rủi ro phổ biến hạt nhân. PHÂN LOẠI CÁC LOẠI 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 tuabin. 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 tuabin. 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 chảy. 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 xảy 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. Lò phản ứng sử dụng neutron kích hoạt năng lượng lớn (neutron nhanh): Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U-235 và Pu-239 được làm giàu (15%). Phản ứng dây truyền xảy ra dưới tác động kích hoạt của các neutron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U-238 hoặc Th-232 có nhiệm vụ hấp thu toàn bộ các hạt neutron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U-238 và Th-232 khi hấp thụ neutron sẽ trở thành Pu-239, U-233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế. Trong lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm neutron. kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giàu, 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 giàu 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 95oC. Helium được dẫn trực tiếp tới tuabin. Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới ABWR - Lò nước sôi cải tiến AGR - Lò cải tiến, dùng Graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt. BWR - Lò nước sôi FBR - Lò phản ứng sử dụng neutron kích họat năng lượng lớn (neutron 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 chậm PWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt. SGHWR - Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt ВВЭР - Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR) CÔNG NGHỆ , NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA LÒ BWR CÔNG NGHỆ LÒ BWR Các lò phản ứng nước sôi (BWR) là một loại lò phản ứng hạt nhân được sử dụng cho các thế hệ năng lượng điện. Đây là loại thông dụng thứ hai của lò phản ứng phát điện hạt nhân sau lò phản ứng nước áp lực (PWR). Lò phản ứng nước sôi thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ LWR. BWR là một loại lò phản ứng nước-nước thuộc thế hệ lò phản ứng thứ hai, sử dụng nước khử khoáng như là một chất làm mát và điều tiết neutron. Nhiệt là sản phẩm của phân hạch hạt nhân trong lõi lò phản ứng, và điều này làm cho nước lạnh được đun sôi sản xuất ra hơi nước. Hơi nước được trực tiếp sử dụng để làm quay một tuabin, sau đó nó được làm nguội trong một bình ngưng và được chuyển tới lò phản ứng hạt nhân theo một vòng chu kỳ chuyển đổi liên tục. Ở lò nước sôi BWR, nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Làm như thế, phương pháp này rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước trong khi chuyển số nhiệt lượng qua các tuabin để biến thành điện năng. Lò BWR sử dụng nhiên liệu là Uranium được làm giàu 3%. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG Các lò phản ứng nước sôi là những lò phản ứng năng lượng hạt nhân phát ra điện nhờ trực tiếp làm sôi nước nhẹ trong nồi áp lực lò phản ứng để tạo ra hơi nước. Hơi nước này sẽ được chuyển tới và làm quay tuabin. Sau đó, hơi nước bị ngưng tụ và được bơm trở lại bình lò phản ứng tiếp tục chu trình. Tuabin được gắn liền với động cơ của máy phát điện, khi tuabin quay làm động cơ của máy phát điện quay tạo ra năng lượng dưới dạng điện năng. CẤU TẠO LÒ BWR Hệ thống bình lò phản ứng Hệ thống bình lò phản ứng bao gồm một bình áp suất và các linh kiện bên trong của nó: một lõi lò bao gồm các bó nhiên liệu và các thanh điều khiển, các thiết bị tạo hơi nước: máy tách hơi nước và máy sấy hơi nước ở phần trên của bình, thiết bị điều khiển năng lượng lò phản ứng: ống dẫn thanh điều khiển và bộ phận thao tác thanh điều khiển ở phần thấp hơn của bình. Các bộ phận này bao quanh lõi lò và kết hợp với chất lỏng làm nguội các thiết bị của lõi lò. Hệ thống thanh nhiên liệu Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng lò nước sôi BWR là Uranium được làm giàu 3%. Uranium được nén lại từng viên nhỏ Uranium dioxide hình trụ, mỗi viên cao khoảng 0,5 inch (1,27 cm), đường kính 0,487 inch (1,24 cm). Các viên UO2 được xếp chồng lên nhau trong một thanh nhiên liệu được làm bằng một hợp kim đặc biệt của Zirconium được gọi là Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron. Những thanh nhiên liệu được thiết kế nhằm ngăn chặn sự rò rỉ các sản phẩm phân hạch và dẫn nhiệt dễ dàng. Các thanh này gộp lại thành một bó nhiên liệu, mỗi bó gồm 49 thanh nhiên liệu và trong lò phản ứng có 368 bó nhiên liệu. Như vậy trong một lò phản ứng có 18032 thanh nhiên liệu chứa 178145 pounds(80975 Kg) UO2. Nhiệt trung bình trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558oF (292oC).(số liệu của lò BWR Vermont Yankee,năm 1972) Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát) Các thanh điều khiển làm bằng các vật liệu hấp thụ neutron: Bo-cacbua (B4C) bột và các mảnh Hafnium (Hf) hấp thụ neutron. Đối với những thanh điều khiển thao tác thường xuyên được làm bằng chất Hf có tuổi thọ cao. Các thanh này đóng vai trò điều tiết neutron cho phản ứng phân hạch, từ đó kiểm soát năng lượng sinh ra trong lõi lò phản ứng. Các thanh này có dạng hình chữ thập được chèn vào giữa các bó nhiên liệu. Chính nhờ dạng hình chữ thập mà mỗi thanh điều khiển kiểm soát được 4 bó nhiên liệu. Việc định vị (thu hồi hay chèn) các thanh kiểm soát là phương pháp thông thường để kiểm soát năng lượng trong lò phản ứng nước sôi BWR (ngoài ra còn có phương pháp thay đổi lưu lượng nước qua lõi lò). Thanh điều khiển được bộ phận thao tác thanh điều khiển đưa từ dưới lên, vì khi sôi bọt nước sẽ thoát ra ở phần trên lò làm cho mật độ năng lượng trượt về phía dưới. Khi các thanh kiểm soát được thu hồi làm giảm sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và tăng trong nhiên liệu, tốc độ của phản ứng phân hạch tăng dẫn đến tăng năng lượng lò phản ứng. Khi các thanh điều khiển được chèn vào làm tăng sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và giảm trong nhiên liệu dẫn đến giảm tốc độ phản ứng phân hạch do đó năng lượng sinh ra trong lò phản ứng giảm. Trong trường hợp có sự cố xảy ra, các thanh nhiên liệu được đóng lại hoàn toàn để chấm dứt nhanh chóng quá trình phân hạch diễn ra trong lò. Một số lò phản ứng nước sôi BWR đầu tiên và những đề xuất cho lò ESBWR thiết kế chỉ sử dụng những lưu thông tự nhiên với thanh điều khiển được định vị để kiểm soát năng lượng lò phản ứng từ 0% tới 100% vì chúng không có những hệ thống tuần hoàn lò phản ứng. Trong quá trình hoạt động, các thanh nhiên liệu bị ăn mòn nên cần được thay thế, vì chính sự hấp thụ neutron đã làm thay đổi cấu tạo hóa học của thanh. Ví dụ: thanh điều khiển sử dụng vật liệu Boron-10 sẽ bị biến đổi khi nó hấp thụ một neutron theo phản ứng Nồi áp lực lò phản ứng(RPV) Bình áp suất được cấu tạo gồm 3 bộ phận: Một ống hình trụ lớn, nắp bình và đáy bình áp suất. Vỏ bình được cấu tạo bởi các lớp thép làm bằng những hợp kim khác nhau. Đường kính bên trong của ống hình trụ là 17,1 feet (5,21m) và chiều cao của bình áp suất là 63,1 feet (19,2 m), ống hình trụ bao gồm các lớp lót dầy khoảng 5 inch (13cm) được ghép với nhau; ống hình trụ, phần đỉnh và phần đáy nặng 757,17 Pound (344,168 kg). Bình lò áp suất được bọc trong một tòa nhà bảo vệ được thiết kế để vẫn còn nguyên vẹn cho dù bình lò phản ứng bị vỡ hoặc ống dẫn hơi nước bị vỡ và nó đủ chắc chắn để giữ nước đầy bên trong cho tới khi nước tràn lên tới các ống bọt nước đặt phía trên lõi lò phản ứng. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng gồm các ống dẫn và các bơm tuần hoàn, có vai trò loại bỏ các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm ăn mòn và những tạp chất ra khỏi nước trước khi cho nước này quay trở lại lõi lò phản ứng. Bơm làm sạch nước lấy nước từ hệ thống tuần hoàn nước dự trữ trong lõi lò và nước ở phần đáy bình lò đưa qua bộ phận chuyển nhiệt để làm nguội dòng. Sau đó, nước được chuyển tới bộ phận lọc để làm sạch. Sau khi được làm sạch, nước được đưa quay trở lại bình lò phản ứng thông qua hệ thống ống dẫn nước cung cấp. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn. Nước sẽ được bơm từ ngoài vào một bình chứa. Sau đó nhờ nhừng chiếc bơm tuần hoàn nước sẽ được dẫn tới lõi lò phản ứng. Một phần nước sẽ được chuyển vào hệ thống chứa nước dự trữ tuần hoàn, một phần sẽ được phun vào lõi lò nhờ những chiếc bơm cao phía trên lõi, nước sẽ được dẫn qua các bó nhiên liệu. Tại đây, nước đóng vai trò là chất lỏng làm chậm neutron, cung cấp neutron chậm cho phản ứng phân hạch, đồng thời nó cũng đóng vai trò lấy nhiệt của các thanh nhiên liệu. Nhờ nhiệt tỏa ra trên bề mặt các thanh nhiên liệu do phản ứng phân hạch gây ra nước được đun sôi. Dưới áp lực của lò, hơi nước sẽ được chuyển tới máy tách hơi nước nằm phía trên lõi, sau đó đi qua máy làm khô hơi nước. Hơi nước này sẽ được dẫn qua một hệ thống ống dẫn tới tuabin và làm quay tuabin. Sau khi qua tuabin nước được làm sạch và bơm trở lại lõi lò phản ứng. Phần nước còn lại trong lõi lò có nhiễm các sản phẩm phân hạch sẽ được lấy ra từ đáy lò bởi các bơm làm sạch và chuyển đến bình lọc. Ở đây nước được làm nguội và sau đó được chuyển lại lò. Ngoài ra còn có một hệ thống ống dẫn nước làm nguội tuần hoàn. Hệ thống các bơm tuần hoàn Hệ thống các bơm tuần hoàn bao gồm các bơm tuần hoàn gắn trên hệ thống ống dẫn để bơm nước từ ngoài vào và các bơm tuần hoàn đặt trong lò phản ứng. các bơm tuần hoàn điều khiển lưu lượng nước đi vào lõi lò phản ứng từ đó điều chỉnh công suất của lò phản ứng. đây là phương pháp thông thường và thuận tiện cho việc kiểm soát năng lượng lò phản ứng. Khi rút hoàn toàn các thanh nhiên liệu ra khỏi các bó nhiên liệu, việc thay đổi lưu lượng nước qua hệ thống tuần hoàn lò phản ứng bằng việc thay đổi tốc độ của các bơm tuần hoàn có thể làm thay đổi năng lượng lò phản ứng từ 30-100%. Khi dòng chảy qua lõi lò tăng lên, hơi nước thoát ra khỏi lò nhanh hơn, lượng nước lỏng trong lõi tăng. Sự điều tiết neutron tăng, các thanh nhiên liệu càng hấp thụ được nhiều neutron chậm, dẫn đến năng lượng lò phản ứng tăng. Khi dòng nước chảy qua lõi lò giảm, trong lõi vẫn còn một lượng hơi nước, lượng nước lỏng trong lõi giảm, sự điều tiết neutron trong lõi giảm, nhiên liệu hấp thụ được ít neutron chậm dẫn đến năng lượng lò phản ứng giảm. như vậy tỉ số giữa nước và hơi nước tăng sẽ làm tăng sự điều tiết neutron làm tăng năng lượng sinh ra trong lõi lò. Tuabin hơi nước Hơi nước được tạo ra trong lõi lò phản ứng truyền qua máy tách hơi nước và những thanh sấy khô đặt phía trên lõi và sau đó đi thẳng tới tuabin, là một bộ phận trong hệ thống lò phản ứng. Dưới sức ép nước sẽ được bơm tới tuabin, hơi nước truyền qua van và chỉa vào các cánh quạt của tuabin làm quay tuabin. Tuabin được gắn với động cơ máy phát điện, khi tuabin quay đồng thời làm quay động cơ máy phát điện. Sau khi đi qua tuabin hơi nước sẽ được ngưng tụ và bơm trở lại bình áp suất. Và chu trình lại tiếp tục. Vì hơi nước sau khi thoát ra khỏi lõi lò thường nhiễm nuclit phóng xạ nên tuabin phải được bảo vệ trong suốt quá trình hoạt động. Phần lớn những tia phóng xạ trong nước chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn (chủ yếu là N-16 có chu kỳ bán rã là 7 giây), nên thành tuabin phải được bảo trì ngay sau khi lò phản ứng ngưng hoạt động. Hệ thống an toàn lò phản ứng Cũng giống như lò phản ứng nước áp lực, lõi lò phản ứng BWR tiếp tục sản xuất nhiệt từ việc phân rã phóng xạ sau khi phản ứng phân hạch đã ngừng, có thể gây ra một sự cố làm hư hỏng lõi. Trong trường hợp tất cả các hệ thống an toàn đều thất bại và lõi lò phản ứng không nhận được nước làm nguội. Cũng giống như lò nước áp lực, lò nước sôi có một hệ số chân không âm, do đó lượng neutron (và nhiệt) thoát ra khỏi lò phản ứng giảm khi tỉ lệ hơi nước và nước bên trong lò phản ứng tăng. Tuy nhiên không giống như lò PWR, không chứa hơi nước trong lõi lò phản ứng sự tăng đột ngột áp suất hơi trong lò BWR (ví dụ như gây ra bởi việc khởi động van đường ống cô lập hơi nước với lò phản ứng (MSIV)) gây ra sự giảm đột ngột tỉ lệ hơi nước với nước ở thể lỏng bên trong lò phản ứng. Điều đó dẫn đến sự tăng neutron điều tiết, từ đó làm tăng sản lượng điện của lò phản ứng. Điều này được gọi là “áp suất tức thời”. Do đó lò BWR được thiết kế đặc biệt để chống lại áp suất tức thời đó, có một “áp lực đàn áp” loại thiết kế có lỗ thông hơi áp lực quá cao sử dụng van áp suất làm chốt an toàn được đặt bên dưới bề mặt của bình chứa chất lỏng được phân làm nhiều ngăn, gọi là “wetwell” hoặc “hình xuyến”. Có 11 cái van áp suất trong mô hình lò BWR/1- BWR/6 và có 18 cái van áp suất trong mô hình lò ABWR, chỉ có một số trong đó có chức năng ngăn chặn sự gia tăng áp lực tức thời. Ngoài ra các lò phản ứng cũng có hệ thống nhanh chóng đóng lại trước khi một tác nhân nào đó tác động đến RPV. Mỗi lò phản ứng sẽ được bao bọc bởi một tòa nhà chứa bằng thép gia cố dày 1.2 đến 2.4 m để phòng khả năng có một sự cố bất ngờ làm vô hiệu hóa tất cả hệ thống chốt an toàn. Bên ngoài lò phản ứng còn được thiết kế với một hệ thống bảo vệ tiền bê tông ngăn sự ảnh hưởng của lò với môi trường và của môi trường tới lò phản ứng. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA LÒ BWR ƯU ĐIỂM Chu trình trực tiếp: Là một hệ thống đơn giản. Nước trong lò phản ứng được đun sôi trên bề mặt của thanh nhiên liệu, sinh ra hơi nước trực tiếp chạy tua bin phát điện. Khả năng tự điều chỉnh: Nhờ tính phản ứng âm, có thể tự điều chỉnh ổn định công suất. Dễ điều hành: Công suất có thể thay đổi và điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi dòng nước tuần hoàn trong lò. Đuổi theo phụ tải trong ngày. Điều khiển tần số tự động (AFC). Điều hành không cần chỉnh (có thể dựa vào sự biến đổi tần số của lưới điện đuổi theo phụ tải). Khởi động nhanh. Lòng lò và nhiên liệu có nhiều tính năng cao: Nước trong lò phản ứng được đun sôi trên bề mặt của thanh nhiên liệu, sinh ra hơi nước trực tiếp chạy tua bin phát điện. Mật độ năng lượng trong lò thấp, cấu trúc đơn giản, bền bỉ. Nhiên liệu được tiêu chuẩn hóa, cho phép các nhà máy đang hoạt động có thể cùng một loại nhiên liệu. Ít bị bể, độ tin cậy cao. Chi phí nhiên liệu thấp trong suốt thời gian sử dụng, vì Uranium thiên nhiên, Uranium được làm giàu và bã nhiên liệu đều chiếm một lượng rất ít. Bể chứa lò phản ứng với độ an toàn cao: Có thể thao tác bằng khí Hydro. Gọn nhỏ, áp lực của bể chứa lò phản ứng được khống chế bằng bể triệt áp. Lượng phóng xạ: Mức phóng xạ phát ra từ chất rắn, lỏng, khí nhỏ hơn lò PWR. Lò phản ứng và các bộ phận của lò phản ứng hoạt động ở áp suất thấp hơn (khoảng 70 atm) so với lò PWR (khoảng 160 atm). Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân là Uranium. Tuy là nhiên liệu cháy, nhưng vì năng lượng nguyên tử là năng lượng phát sinh do phản ứng phân hạch, nên không cần Oxy, chính vì thế mà hoàn toàn không thải ra các chất gây ô nhiễm môi trường như các loại khí CO2 , NOx, SOx. Năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng rất lớn, nên chỉ với một lượng nhỏ nhiên liệu mà vẫn thu được năng lượng lớn. Nhiên liệu cần thiết cho một nhà máy điện hạt nhân có công suất 1000 MW vận hành trong suốt 1 năm là: Nhiên liệu  Khối lượng  Phương tiện vận chuyển  Số lượng   Than đá  2.200.000 tấn  Tàu trọng tải 200.000 tấn  11 tàu   Dầu  1.400.000 tấn  Thùng chúa 200.000 tấn  7 thùng   Khí thiên nhiên  1.100.000 tấn  Thùng chứa 200.000 tấn  5,5 thùng   Uran giàu  30 tấn  Xe tải 10 tấn  3 xe   NHƯỢC ĐIỂM Điểm yếu của lò này là khả năng rò rỉ phóng xạ, lan vào nước, từ đó có thể lan sang tuabin cũng như các phần khác trong hệ thống. Lò BWR hoạt động ở điều kiện áp suất 70 atm, ở đó, nhiệt độ sôi của nước là 2850 C. Môi trường nhiệt độ này làm cho hiệu suất Carnot chỉ đạt được 42%, và thực tế nguồn điện năng sinh ra chỉ có khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nước dưới áp suất (PWR). Các chất làm mát của BWRs thường có thành phần Oxy tương đối cao dẫn đến vấn đề ăn mòn nhanh các hệ thống của lò BWRs. Tính toán phức tạp để quản lý tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân trong quá trình hoạt động do "hai pha (nước và hơi nước) dòng chảy" trong phần trên của lõi. Ô nhiễm của động cơ tua bin làm cho tuổi thọ của các Tuabin ngắn do các chất phóng xạ gây ra. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO John R. Lamarsh Anthony J. Baratta “Introduction to Nuclear Engineering “ Ngô Quang Huy, Sách “Cơ sở vật lý hạt nhân”, NXB Khoa học và Kỹ thuật (2006