Nội dung
1. Mở đầu .2
2. Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân .3
3. Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor .6
4. Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor .11
5. Lò nước nặng PHWR.14
6. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân.16
7. Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến (advanced) .20
8. Các loại lò VVER của Nga.24
9. Kết luận.30
32 trang |
Chia sẻ: lethao | Lượt xem: 2821 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân - Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
Báo cáo tóm tắt
TỔNG QUAN
HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ
NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
Cơ quan thực hiện: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
Hà Nội, 4/2011
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 1 -
Nội dung
1. Mở đầu ................................................................................................................2
2. Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân ...........................3
3. Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor .....................................6
4. Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor ...................................................11
5. Lò nước nặng PHWR.......................................................................................14
6. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân.......................................................................16
7. Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến (advanced) .............................................20
8. Các loại lò VVER của Nga...............................................................................24
9. Kết luận.............................................................................................................30
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 2 -
CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
1. Mở đầu
Theo số liệu mới nhất công bố tháng 1/2011 của Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế, hiện nay trên toàn cầu có 442 tổ máy điện hạt nhân đang vận
hành, lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 16% sản lượng điện toàn cầu; có
khoảng 65 tổ máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng.
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 kỷ 21, hiện nay nhiều loại lò thế hệ mới đang
được nghiên cứu phát triển. Chính phủ các nước có ngành công nghiệp hạt nhân
phát triển đang đầu tư trên 2 tỷ US$ 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 quan trọng của
thế kỷ 21”.
Trong hoạch định chiến lược phát triển năng lượng và lựa 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 chung 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 một trong những chức năng quan trọng nhất của các nhà hoạch định chính
sách.
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 3 -
Báo cáo này giới thiệu những khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng
hạt nhân và những cải tién, những công nghệ lò thế hệ mới đang được triển khai
thực hiện trên thế giới.
2. Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân
2.1 Nguyên lý phản ứng phân hạch
Lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng
phân hạch dây chuyền. Sơ đồ đơn giản của nguyên lý này nêu trên hình 1.
Khi một nơtron bắn phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành hai hay
nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải phóng năng lượng ở dạng động năng,
bức xạ gamma và phát ra các nơtron tự do, các nơtron tự do này là tiếp tục bắn
phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền.
Nơtron nhiệt Nhiệt năng Nơtron nhanh
N N Nơtron nhiệt
N
Phân hạch Chất làm chậm
U 235 U 235 N Hấp
thụ
N
Hình 1. Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch
2.2 Cấu trúc cơ bản của lò và các vật liệu sử dụng
Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) bao gồm: nhiên liệu
hạt nhân, chất làm chậm, chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò,
tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN nêu
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 4 -
trong hình 2. Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng được
nêu trong bảng 1.
Thanh điều khiển
Vành phản xạ Nhiên liệu hạt nhân
Thùng lò Chất làm chậm
Chất tải nhiệt
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN
Bảng 1. Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng
TT Phần tử Vật liệu Chức năng
1 Nhiên liệu U233 , U235, Pu239,
Pu241
Chất phân hạch
2 Chất làm chậm H2O, D2O, C, Be Giảm năng lượng của nơtron
nhanh thành nơtron nhiệt
3 Chất tải nhiệt H2O, D2O, CO2, 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
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 5 -
7 Tường bảo vệ Bê tông, H2O, Fe, Pb Bảo vệ chống bực xạ
8 Các vật cấu trúc
khác
Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò
2.3 Phân loại các loại lò
Tuỳ thuộc vào việc sử dụng các chất tải nhiệt, chất làm chậm và cấu trúc
của lò, người ta phân ra các loại lò như nêu trong bảng 2.
Bảng 2. Phân loại các loại lò
SỐ
TT
LOẠI
LÒ
Tên gọi Nhiên liệu Chất làm
chậm
Chất tải
nhiệt
1 PWR Lò nước áp lực Urani làm giầu
nhẹ 2-5%
H2O H2O
2 BWR Lò nước sôi Urani làm giầu
nhẹ 2-5%
H2O H2O
3 WWER Lò nước áp lực
(LX cũ)
Urani làm giầu
nhẹ 2-5%
H2O H2O
4 PHWR -
CANDU
Lò nước nặng
kênh áp lực
Urani tự nhiên
0,7%
D2O D2O H2O
5 GCR Lò khí grafit Urani tự nhiên
0,7%
Grafit Khí He
6 LWGR Lò nước grafit
kênh áp lực
Urani tự nhiên
giầu nhẹ
Grafit H2O
7 AGR Lò khí grafit cải
tiến
Urani tự nhiên
0,7%
Grafit Khí He
8 FBR Lò nhanh tái sinh Urani làm giầu
hoặc Plutoni
Không Na
Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên
10 loại lò đang được sử dụng và nghiên cứu phát triển. Rất khó có thể đánh giá
ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác. Việc mỗi quốc gia sử dụng và
phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là ý đồ chiến lược của
mỗi quốc gia, sau đó là trình độ khoa học - công nghệ và khả năng tham gia của
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 6 -
công nghiệp nội địa. Mặc dù số loại lò nhiều như vậy nhưng đa số hoặc đã bị loại
bỏ khỏi xu hướng phát triển hoặc đang ở trạng thái thử nghiệm.
Cho đến nay, thực chất chỉ mới có ba loại được công nhận là những công
nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và
PHWR. Tỷ phần số lượng lò của các loại công nghệ như sau: Lò phản ứng nước
áp lực: 60% (Pressurired Water Reactor - PWR+VVER), kế theo đó là Lò phản
ứng nước sôi: 21% (Boiling Water Reactor - BWR), và cuối cùng là Lò nước
năng kiểu CANDU: 7% (Pressurired Heavy Water Reactor - PHWR), phần còn
lại là các loại lò khác.
Chúng ta hãy xem xét sơ bộ 3 loại lò được phát triển nhiều nhất, phổ biến
nhất hiện nay đó là PWR, BWR và PHWR.
3. Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor
Đây là kiểu lò phổ biến nhất với trên 230 lò hiện đang vận hành trên khắp
thế giới. Thiết kế cơ bản của loại lò này có nguồn gốc từ các lò phản ứng hạt
nhân sử dụng trong các tầu ngầm hạt nhân. Chúng sử dụng nước thường làm chất
tải nhiệt và làm chậm. Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là
dùng nước trong chu trình làm nguội vòng một đi qua tâm lò với áp suất rất cao
và chu trình thứ hai được sử dụng là hơi được sinh ra để chạy tuôc bin.
Hình 3. Sơ đồ công nghệ hai vòng tuần hoàn của lò PWR
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 7 -
Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 325 0C, khi đó nước cần phải
ở mức áp suất 150 lần áp suất khí quyển để ngăn chặn việc làm sôi nước, áp suất
được duy trì nhờ hơi trong bộ điều áp. Trong chu trình vòng I nước cũng đóng
vai trò của chất làm chậm nên nếu nước trở thành hơi thì sẽ làm cho phản ứng
phân hạch bị giảm xuống. Hiệu ứng phản hồi âm này là một trong những đặc
trưng an toàn nội tại của loại lò PWR. Hệ thống dập lò thứ cấp thực hiện việc bổ
sung thêm bo vào vòng sơ cấp.
Vòng thứ cấp được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ
trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nước làm quay tuôc bin máy phát để sản
xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua
các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp.
Yêu cầu độ sạch của nước vòng hai rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ tiêu
kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở tuốc bin đều được ngưng tụ và đưa
trở lại chu trình công nghệ. Do vậy, vòng hai của nhà máy ĐHN cũng là một chu
trình kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát.
Hình 4. Sơ đồ thùng lò PWR
PWR là một loại lò nước nhẹ với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất
làm chậm nơtron và có thùng lò chịu áp lực.
Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào/ra của chất tải nhiệt
và đáy hình elíp. Bên trong thùng lò có giếng lò hình trụ dùng để bố trí vùng hoạt
và tổ chức dòng chuyển động của chất tải nhiệt. Thùng lò chịu áp suất lớn và
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 8 -
chịu bức xạ cao được chế tạo rất phức tạp. Mặt trong vỏ lò tiếp xúc với nước
được phủ một lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và giảm quá trình giòn vỏ lò
do tương tác của dòng nowtrôn cao, chiếu xạ mạnh. Để bảo đảm độ bền, thùng lò
được làm với số mối hàn ít nhất. Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một
thời gian dài từ 40 đến 60 năm. Các thông số của lò PWR công suất 1160 MWe
được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3. Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 MWe
Thông số cơ bản của lò PWR
Công suất nhiệt 3423 MWt
Công suất điện 1160 MWe
Đường kính phía trong thùng lò 4,394 m
Độ dày thùng lò 225 mm
Chiều cao thùng lò 12,9 m
Vật liêu thùng lò ASME SA-508 GrB class 3
Trọng lượng thùng lò 402 t
Đường kính vùng hoạt 3,37 m
Chiều cao/dài vùng hoạt 3,66 m
Độ giàu nhiên liệu 2,1 - 4,1%
Số bó nhiên liệu 193
Đường kính thanh nhiên liệu 9,5 mm
Chiều dài thanh nhiên liệu 3,65 m
Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,06 m
Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-4
Trọng lượng nhiên liệu 89 t
Mật độ công suất 105 KW/lít
Số bó/thanh điều khiển 53 bó
Áp suất trong lò 157 Kg/cm2
Chất tải nhiệt H2O
Chất làm chậm nơtron H2O
Thông lượng chất tải nhiệt qua lò 60.103 t/h
Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò 289/325 0C
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 9 -
Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và hệ thống điều khiển được bố trí ở phía
trên vùng hoạt. Điều này cho phép các thanh điều khiển có thể tự rơi vào vùng
hoạt để dập lò khi cần thiết.
Các lò PWR có các bó nhiên liệu với số lượng thanh nhiên liệu trong mỗi
bó từ 200-300 tuỳ thuộc cấu hình của bó nhiên liệu (15 x 15, 16 x 16, 17 x 17,
v.v.), các bó nhiên liệu được sắp trong thùng lò chịu áp lực theo chiều thẳng
đứng. Tổng số bó nhiên liệu vào khoảng 150-250 và tổng trọng lương khoảng
80-100 tấn uranium.
Các bó nhiên liệu của lò PWR cũng như của lò BWR trong trường phái
thiết kế của các nước phương Tây có dạng hình hộp vuông, còn trong các lò do
Nga thiết kế có dạng hình hộp lục giác đều, trong đó bố trí ô mạng vuông hay
tam giác. Các thanh nhiên liệu có dạng hình ống bên trong xếp các viên nhiên
liệu UO2 có đường kính 8 mm và chiều cao 10 mm. Giữa vỏ bọc và viên nhiên
liệu là rãnh khí He, phía trên có lò xo nén giữ và khoảng trống chứa khí phóng xạ
thoát ra trong phản ứng hạt nhân. Các thanh nhiên liệu hợp lại thành các bó nhiên
liệu. Các bó nhiên liệu nạp vào lò có thể có hoặc không có vỏ hộp bọc ngoài tùy
từng lò. Các hộp này được đục lỗ để tạo dòng chảy ngang có tác dụng dàn đều
trường nhiệt độ vùng hoạt.
Hình 5. Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 10
-
Nhà máy ĐHN với lò PWR có sơ đồ công nghệ hai vòng. Trong sơ đồ công
nghệ này nhất thiết phải có thiết bị sinh hơi là thành phần phân chia hai vòng. Có
thể nói thiết bị sinh hơi thuộc vòng một hay thuộc vòng hai đều đúng.
Hình 6. Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)
Trong thiết bị sinh hơi, để truyền được nhiệt từ vòng một sang vòng hai
cần phải có chênh lệch nhiệt độ giữa nước vòng một (không được sôi) và nước
sôi thuộc vòng hai. Để tránh sôi nước trong vòng một, áp suất của nó phải đủ lớn,
thường là cao hơn nhiều so với áp suất vòng hai. Do vậy, tính kinh tế nhiệt của
nhà máy hai vòng bao giờ cũng thấp hơn nhà máy một vòng có áp suất trong lò
như nhau.
Thiết bị sinh hơi là một thành phần cần thiết trong nhà máy ĐHN với lò
PWR. Nó cách ly sự lan truyền chất phóng xạ từ vòng một sang vòng hai, giúp
cho việc vận hành nhà máy được thuận tiện hơn. Nhưng mặt khác, thiết bị sinh
hơi là một khâu yếu trong nhà máy ĐHN với lò PWR. Trong thiết bị này, có
hàng ngàn ống trao đổi nhiệt, nhiều hỏng hóc thường hay xẩy ra với các ống này
như tắc nghẽn, đứt gẫy, thủng do ăn mòn và cọ xát gây rò nước có phóng xạ từ
vòng một sang vòng hai. Để khắc phục những hỏng hóc này, thường đòi hỏi phải
mất thời gian, tốn kém và phải dừng nhà máy, gây ảnh hưởng đến kinh tế.
Thoáng nhìn người ta có cảm giác nhà máy ĐHN hai vòng cần vốn đầu tư
nhiều hơn nhiều so với nhà máy một vòng. Nhưng do yêu cầu đảm bảo an toàn
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 11
-
phóng xạ, phải xử lý (trao đổi ion) toàn bộ lưu lượng nước ngưng tụ (sau tuốc
bin) đã làm cho chỉ số quan trọng như giá công suất đặt mỗi KW của nhà máy
một vòng hầu như xấp xỉ với nhà máy hai vòng.
4. Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor
Về mức độ phổ biến cũng như các hãng cung cấp, các nước sử dụng... thì
lò nước sôi BWR chỉ đứng sau lò nước áp lực PWR. Nguyên lý thiết kế và hoạt
động căn bản của các lò nước sôi là sử dụng chu trình trực tiếp. Nước trong vùng
hoạt lò phản ứng được làm sôi nhờ phản ứng phân hạch và sinh ra hơi nước trực
tiếp chạy tuôc bin máy phát. Nước trong thùng lò bao gồm hai phần: nước và hơi
nước, do đó việc sử dụng chu trình trực tiếp thể hiện sự khác biệt với các công
nghệ khác ở những đặc tính cơ bản sau:
o Không có máy sinh hơi (chu trình trực tiếp).
o Giảm được áp lực trong lò trong khi vẫn đạt được hiệu suất cao.
o Phần lưu chuyển của các vật chất phóng xạ rộng hơn.
Hình 7. Sơ đồ công nghệ một vòng tuần hoàn với lò nước sôi - BWR
BWR cũng là một loại lò với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm
chậm và có thùng lò chịu áp lực. Tuy nhiên, khác với lò PWR, trong lò BWR có
sự sôi thể tích ngay trong lò.
Thùng lò BWR có hình thức gần giống như lò PWR nhưng có các thông
số khác hơn. Vùng hoạt lò BWR tương tự như lò PWR không đồng nhất và được
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 12
-
tập hợp từ các bó nhiên liệu đặt sát nhau trong giỏ vùng hoạt. So với lò PWR
cùng công suất, kích thước vùng hoạt của lò BWR lớn hơn.
Hình 8. Thùng lò nước sôi - BWR
Bảng 5. Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MWe
Thông số BWR
Công suất nhiệt 3293 MWt
Công suất điện 1100 MWe
Đường kính phía trong thùng lò 6,375 m
Độ dày thùng lò 157 mm
Chiều cao thùng lò 23,0 m
Vật liêu thùng lò ASME SA-533 GrB class 1
Trọng lượng thùng lò 793 t
Đường kính vùng hoạt 4,75 m
Chiều cao/dài vùng hoạt 3,71 m
Độ giàu nhiên liệu 2,2%
Số bó nhiên liệu 764
Đường kính thanh nhiên liệu 13 mm
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 13
-
Chiều dài thanh nhiên liệu 3,71 m
Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,46 m
Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-2
Trọng lượng nhiên liệu 142 t
Mật độ công suất 50 KW/lít
Số bó/thanh điều khiển 185 thanh
Áp suất trong lò 71 Kg/cm2
Chất tải nhiệt H2O
Chất làm chậm nơtron H2O
Thông lượng chất tải nhiệt qua lò 48.103 t/h
Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò 216/286 0C
Hình 9. Các bó nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR
Các thanh nhiên liệu của lò BWR về hình thức cũng giống như các thanh
nhiên liệu của lò PWR, chỉ khác là chúng có đường kính to hơn và vỏ bọc dày
hơn. Các bó nhiên liệu của lò BWR được bọc trong hộp kín hoàn toàn, không
đục lỗ để loại trừ các dòng chảy ngang.
Do đặc thù của sơ đồ công nghệ khác với lò PWR, các hệ thống điều khiển
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 14
-
và bảo vệ của lò BWR được bố trí ở phần dưới của lò và trong thành phần của hệ
thống điều khiển có sử dụng các bơm để thay đổi lưu lượng nước tuần hoàn qua
vùng hoạt để điều chỉnh công suất lò. Động cơ của các thanh điều khiển và bảo
vệ nằm ngoài vỏ thùng lò và luôn có năng lượng dự trữ để thắng lực trọng trường
và đưa các thanh này vào vùng hoạt khi bị mất điện cấp.
Ưu điểm cơ bản của nhà máy ĐHN với lò BWR là có sơ đồ công nghệ một
vòng, nhờ vậy cấu trúc đơn giản và tính kinh tế cao vì các thông số của hơi nước
trước khi vào tuốc bin và ở trong lò gần như bằng nhau (chỉ hơn kém nhau ở
phần tiêu hao trên đường ống). Nhược điểm cơ bản của nhà máy với lò BWR là
tất cả thiết bị phải làm việc trong điều kiện có phóng xạ, do vậy, việc vận hành
phức tạp hơn và lượng chất thải phóng xạ cũng nhiều hơn.
5. Lò nước nặng PHWR
Phần lớn các lò PHWR (Pressurized Heavy-Water-moderated Reactor) có
cấu hình tiêu chuẩn như nhau. Lò có 380 kênh công tác nằm ngang được sắp xếp
trong ô mạng hình vuông. Thiết bị điều khiển, thiết bị dập lò và các thiết bị đo
trong vùng hoạt đều nằm trong ống được bố trí thẳng đứng hay nằm ngang (xen
kẽ giữa các kênh nhiên liệu). Môi trường làm việc là nước nặng có áp suất thấp,
nhiệt độ thấp.
Hình 10. Các bó nhiên liệu và kênh ngang của lò PHWR
Vùng hoạt được bao bọc trong một bể kín bằng thép, hình trụ, nằm ngang,
gọi là bể calandria. Đến lượt mình, bể calandria lại nằm trong một khoang bê
tông kín chứa đầy nước nhẹ. Mỗi kênh công tác là một ống lồng, ống ngoài gọi là
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 15
-
ống calandria làm bằng zircaloy. Ống trong gọi là ống chịu áp, chứa 12 bó nhiên
liệu và nước nặng tải nhiệt, ống này làm bằng hợp kim zirconi-niobi. Các kênh
công tác nằm ngang song song với trục và xuyên qua bể calandria.
Khoảng không giữa ống chịu áp và ống calandria trong mỗi kênh công tác
là khí CO2. Chất tải nhiệt là nước nặng chảy trong kênh nhiên liệu (kênh chịu áp)
tải nhiệt sinh ra từ phản ứng hạt nhân về máy sinh hơi. Nước nặng trong bể
calandria được sử dụng để làm chậm nơtron nhanh sinh ra từ phản ứng phân
hạch. Chất làm chậm là nước nặng tuần hoàn liên tục qua bể calandria và máy
trao đổi nhiệt để giải phóng nhiệt sinh ra trong chất làm chậm khi lò làm việc.
Các cơ cấu trên đầu vào và đầu ra bảo đảm cho việc phân bố nhiệt độ của chất tải
nhiệt trong bể calandria được đồng đều, áp suất trên bề mặt của nước nặng lớn
hơn áp suất khí quyển một ít.
Hình 11. Sơ đồ công nghệ của lò nước nặng PHWR
Hệ thống chất làm chậm nơtron độc lập hoàn toàn với hệ thống tải nhiệt lò
phản ứng. Hệ thống này bao gồm hai bơm và hai máy trao đổi nhiệt và nối với:
- Hệ thống làm sạch nước nặng;
- Hệ thống khí trên bề mặt nước nặng;
- Hệ thống chất lỏng gây nhiễm độc dập phản ứng hạt nhân;
- Hệ thống lấy mẫu;
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 16
-
- Hệ thống cung cấp nước nặng.
Bể chứa nước nặng giúp cho chất làm chậm duy trì ở mức cần thiết, bù
cho sự co dãn do giao động nhiệt gây ra và bù rò thoát trong quá trình làm việc.
Nước nặng trong bể calandria còn có chức năng như một bể làm mát trong
trường hợp sự cố mất chất tải nhiệt mà hệ thống làm mát vùng hoạt bị hỏng.
Những vật liệu trong bể calandria và hệ thống làm chậm nơtron có tiếp xúc với
nước nặng là thép không gỉ hay các hợp kim zirconi. Những vật liệu này thích
hợp với môi trường nhiệt độ thấp và có độ axít nhẹ. Trong lò PHWR việc dàn
đều công suất đạt được bằng cách cho nhiên liệu cháy khác nhau theo từng vùng,
kết hợp với sử dụng các thanh điều chỉnh.
Các lò PHWR sử dụng nhiên liệu chuẩn. Mỗi bó nhiên liệu là tập hợp của
37 thanh nhiên liệu có vỏ bọc làm bằng hợp kim zircaloy, bên trong chứa các
viên UO2 thiên nhiên.
Vật liệu vùng hoạt và chất làm chậm nơtron là nước nặng đã làm cho lò
PHWR tiết kiệm nơtron tối đa và sử dụng triệt để nhiên liệu. Khi nhiên liệu cháy
và hàm lượng U-235 giảm, plutoni sinh ra sẽ cung cấp một lượng độ phản ứng bổ
sung và góp khoảng một nửa sản lượng nhiệt.
Đặc điểm thay nhiên liệu khi lò làm việc đã loại bỏ nhu cầu phải có độ
phản ứng dư lớn, tức là số thanh bù của hệ thống điều khiển giảm. Mặt khác sự
phân bố công suất trong vùng hoạt đồng đều hơn.
6. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
Bắt đầu từ những năm 2000 trở lại đây, các NMĐHN được phân loại thành
các thế hệ :
o Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu (prototypes),
o Thế hệ II: Các NMĐHN đã xây dựng và đang vận hành,
o Thế hệ III và III+ : Các lò phản ứng tiên tiến,
o Thế hệ lò phản ứng tiếp theo - thế hệ IV .
Các thế hệ III, III+ và IV kế thừa các ưu điểm và khắc phục các nhược
điểm của các thế hệ trước.
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 17
-
Hình 12. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
Thế hệ I
Các lò phản ứng thương mại nguyên mẫu (prototype) vận hành vào những
năm 1950 - 1960. Lò phản ứng thương mại đầu tiên trên thế giới với công suất 5
MW được đưa vào vận hành năm 1954 tại Liên Xô cũ. Sau đó, tại Anh, lò phản
ứng Calder Hall được đưa vào vận hành vào năm 1956 với công suất ban đầu là
50 MW. Nhà máy ĐHN thương mại đầu tiên tại Mỹ là Shippingport vận hành
vào năm 1957, với công suất 60 MW. Nhiều lò phản ứng thế hệ I chỉ là đơn chiếc,
như lò Fermi I ở Mỹ, chứ không đại diện cho một kiểu thiết kế nào cả. Trong khi
với thế hệ II các lò có khuynh hướng xây dựng hàng loạt, mặc dù được thiết kế
riêng biệt nhưng áp dụng cùng một nguyên lý thiết kế.
Thế hệ II
Các lò thế hệ II là một số thiết kế được phát triển từ các lò phản ứng thế hệ
I. Đã có nhiều thay đổi đáng kể trong thiết kế và kể cả có một số kiểu hoàn toàn
mới so với thế hệ trước. Các lò phản ứng được xây dựng vào đầu những năm
1970 và 1980 và hiện tại vẫn đang được vận hành thương mại. Các lò phản ứng
nước nhẹ ở Mỹ, Pháp, các lò CANDU ở Canada là những ví dụ về các lò thế hệ
II.
Thế hệ III
Các lò thế hệ thứ III là các thiết kế cải tiến (advanced-design), bao gồm:
- Các lò nước sôi cải tiến (ABWR) do GE thiết kế và được xây dựng tại
Nhật Bản;
Công nghệ nhà máy điện hạt nhân – Báo cáo tháng 4-2011 - 18
-
- Các lò cải tiến hệ System 80+ do CE (Combustion Engineering) nay
thuộc Westinghouse thiết kế;
- Các lò PWR cải tiến (APWR), do Westinghouse, MHI thiết kế;
- Các lò WWER-1000: AES-91, AES-92 của Nga thiết kế;
- Các lò có thiết kế thụ động như AP600 của Westinghouse.
- Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor)
– là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận
hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức.
Một số thiết kế đã được phát triển ở Mỹ và được Cơ quan pháp quy Hoa
Kỳ (US-NRC) cấp phép vào những năm 1990. Các lò ABWR và APWR đã/đang
được xây dựng và vận hành ở nhiều nước khác nhau. Một số thiết kế khác cũng
đang trong giai đoạn xin cấp chứng nhận thiết kế của NRC như US EPR.
Các cải tiến quan trọng so với thế hệ II bao gồm:
- Hoàn thiện công nghệ về nhiên liệu;
- Đưa vào các hệ thống an toàn thụ động;
- Các thiết kế được tiêu chuẩn hóa;
Thế hệ III+
Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ
III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive
safety). Các thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụng
các thành phần điều khiển chủ động nào. Chúng có thể đã được phát triển ở
những giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấp
phép xây dựng. Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010. Các
thiết kế thế hệ III+ bao gồm:
- Các lò Advanced CANDU Reactor (ACR);
- Lò AP1000 – dựa trên thiết kế AP600 của Westinghouse;
- Lò Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) – dựa
trên thiết kế ABWR;
- Lò APR-1400 – Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR
(Korean Next Generat
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân - Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam.pdf