O slideshow foi denunciado.
Seu SlideShare está sendo baixado. ×

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI
TÌM HIỂU PHẦ...
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG
NIÊN KHÓA 2011 – 2014
TÊN ĐỀ TÀI
TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR
N...
LỜI CAM ĐOAN
� �
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo
viên hướng dẫn là TS. Lê...
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio

Confira estes a seguir

1 de 57 Anúncio

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Anúncio
Anúncio

Mais Conteúdo rRelacionado

Mais de Luận Văn Tri Thức (20)

Mais recentes (20)

Anúncio

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

  1. 1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR HỌ TÊN TÁC GIẢ KHOÁ LUẬN NGƯỜI THỰC HIỆN: LƯƠNG KIM THIỆN Bình Dương, Ngày 20/05/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
  2. 2. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG NIÊN KHÓA 2011 – 2014 TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: ThS. LÊ NGUYỄN HÒA BÌNH Sinh viên thực hiện: LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 Bình Dương, Tháng 05/ năm 2014
  3. 3. LỜI CAM ĐOAN � � Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là TS. Lê Nguyễn Hòa Bình. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ ông trình nghiên cứu nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình. Bình Dương, Ngày 20/05/2014
  4. 4. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Phòng đào tạo trường đh Thủ Dầu Một, thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thạc sĩ – Lê Nguyễn Hòa Bình, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Thạc sĩ - Nguyễn Thành Đoàn (giáo viên chủ nhiệm) cùng toàn thể các thầy cô trong khoa điện- điện tử, Trường Đh Thủ Dầu Một đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc học tập và thu thập số liệu tại khoa để tôi có thể hoàn thành được luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, người thân, đã động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc tôi gặp khó khăn. Xin chân thành cảm ơn mẹ, em gái và toàn thể người thân trong gia đình đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập làm việc và hoàn thành luận văn này… Bình Dương, Ngày 20/05/2014
  5. 5. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT TÊN BẢNG BIỂU Trang 1 Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng và chức năng của chúng 7 2 Bảng 2: Một số thông số chính của kiểu lò PWR – 1160 Mwe 28 3 Bảng 3: Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ công nghệ lò 35-36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT TÊN HÌNH VẼ Trang 1 Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. 5 2 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân 6 3 Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu 8 4 Hình 1.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 9 5 Hình 1.5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 10 6 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch 13 7 Hình 1.7 Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân 14 8 Hình 1.8 Bức tranh sử dụng nhà máy điện hạt nhân trên Thế Giới 20 9 Hình 3.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR 26
  6. 6. 10 Hình 3.2 Sơ đồ thùng lò PWR 27 11 Hình 3.3: Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái phương Tây và Nga 30 12 Hình 3.4: Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga) 30 13 Hình 3.5 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 32 14 Hình 3.1 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 40 15 Hình 3.2 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 41 16 Hình 3.3 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 41 17 Hình 3.4 Thảm họa sau tai nạn hạt nhân ở Mỹ 42 18 Hình 4.1 Mô hình nhà máy điện tại Ninh Thuận 46 19 Hình 1.1 Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân 47 20 Hình 1.1 Sơ đồ các khối chức năng quan trọng trong phần mềm PWR 54 21 Hình 1.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước áp lực 55
  7. 7. Khoa: Điện – Điện tử BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm: 01): LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 Ngành : Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Chuyên ngành : Điện công nghiệp 2. Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR 3. Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang: 63 Số chương: 4 Số bảng số liệu: 3 Số hình vẽ: 21 Số tài liệu tham khảo: 4 Phần mềm tính toán: 1 Số bản vẽ kèm theo: 1 Hình thức bản vẽ: word Hiện vật (sản phẩm) kèm theo: ..................................................................................... 4. Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... c) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 5. Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm)  Không được bảo vệ  Bình Dương, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN.
  8. 8. Khoa: Điện – Điện tử BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Khoa) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……) LƯƠNG KIM THIỆN MSSV: 111C660009 Lớp: C11DT01 2. Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR 3. Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 4. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ  Không được bảo vệ  5. Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (2) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (3) ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Bình Dương, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN.
  9. 9. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN..................................................................... 13 1. Nhà máy điện hạt nhân............................................................................................................................................................ 13 1.1 Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân....................................................................................................................................... 13 1.1.1 Lò phản ứng hạt nhân.......................................................................................................................................................... 13 1.1.2 Nhiên liệu ............................................................................................................................................................................. 15 1.1.3 Thanh điều khiển................................................................................................................................................................. 16 1.1.4 Chất làm chậm..................................................................................................................................................................... 17 1.1.5 Chất phản xạ 17 1.1.6 Thùng lò ............................................................................................................................................................................... 18 1.1.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác .............................................................................................................................. 18 2. Phản ứng phân hạch hạt nhân................................................................................................................................................. 19 2.1 Khái niệm................................................................................................................................................................................ 19 2.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch............................................................................................................................................. 19 2.3 Năng lượng phân hạch........................................................................................................................................................... 20 2.4 Chất thải phóng xạ ................................................................................................................................................................. 21 2.5 Sử lý chất thải phóng xạ......................................................................................................................................................... 22 2.5.1 Pháp, Nga, Nhật, Anh.......................................................................................................................................................... 23 2.5.2 Mỹ........................................................................................................................................................................................ 23 2.5.3 Phần Lan.............................................................................................................................................................................. 23 2.5.4 Bungari................................................................................................................................................................................. 24 2.5.5 Anh và Đức .......................................................................................................................................................................... 24 3. BỨC TRANH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI.................................................................... 24 3.1 Quá khứ .................................................................................................................................................................................. 25 3.2 Hiện tại.................................................................................................................................................................................... 26 3.2.1 Ở Mỹ và các nước phương Tây........................................................................................................................................... 26 3.2.2 Ở châu Á............................................................................................................................................................................... 27 3.2.3 Các nước khác ..................................................................................................................................................................... 28 4. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA ....................................................................................................................... 28 4.1 Một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân ............................................................................................................................... 29 4.1.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor) ................................................................................................... 29 5. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân............................................................................................................................................. 33 6. Một số tai nạn của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới ................................................................................................. 37 6.1 Tai nạn tại nhà máy điện nguyên tử TMI ( Three Mile Island ) của Mỹ ............................................................................ 37 6.1.1 Nhân viên vận hành phán đoán nhầm................................................................................................................................ 38 6.1.2 Nhân viên vận hành vi phạm nguyên tắc ........................................................................................................................... 38 6.1.3 Khiếm khuyết trong thiết kế............................................................................................................................................... 38 6.2 Tai nạn của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ............................................................................................. 38 6.2.1 Sự khiếm khuyết của hệ thống quản lý .............................................................................................................................. 39 6.2.2 Sự khiếm khuyết của chức năng đóng kín các: Chất phóng xạ. Không có vỏ lò phản ứng............................................. 39 6.2.3 Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận: hành thiếu kiến thức .............................................................................. 39 6.2.4 Khiếm khuyết về mặt quan trọng thiết kế ......................................................................................................................... 39 6.3 Tai nạn ở công ty JCO tại Tokaimura Nhật Bản ................................................................................................................. 39 6.4 Một số hình ảnh cháy nổ nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản............................................................................................. 40 7. Các tiêu chí đánh giá mức độ tai nạn nguyên tử .................................................................................................................... 42 7.1 Rạn nứt do ăn mòn ứng suất (Stress Crrosion Cracking:SCC)........................................................................................... 42 7.2 Những biện pháp được áp dụng để phong chống hiện tượng SCC ..................................................................................... 43 7.3 Sự cố máy bay dân dụng đâm vào nhà máy điện nguyên tử................................................................................................ 43
  10. 10. 8.Tình hình năng lượng nguyên tử của Việt Nam...................................................................................................................... 43 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR............................... 46 1. Xuất sứ...................................................................................................................................................................................... 46 2. Cách chạy phần mềm............................................................................................................................................................... 47 3. Chức năng của các thông số mô phỏng................................................................................................................................... 48 3.1 Ứng dụng: Có hai chế độ để lựa chọn................................................................................................................................... 48 3.2 Chế độ: Chọn các chế độ của nhà máy cho phần mềm........................................................................................................ 49 3.3 Tạo File thư mục .................................................................................................................................................................... 49 3.4 Thông số: Cài đặt dữ liệu phần thông số............................................................................................................................. 49 3.5 Đồ thị: Cài đặt các thông số của phần đồ thị........................................................................................................................ 50 3.6 Hoàn thành xong thông số cài đặt......................................................................................................................................... 51 3.7 Thư mục thông tin của phần mềm ........................................................................................................................................ 51 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN .............................. 53 1. hợp 1: Lò xảy ra sự cố............................................................................................................................................................. 53 2. Trường hợp 2: Hạ thanh điều khiển số 2 xuống mức 150 cm ............................................................................................... 54 3. Trường hợp 3: Tăng thanh điều khiển số 2 lên mức 180 cm................................................................................................. 54 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN............................................................................................................................................................ 55 1. Kết quả mà em đã tiếp thu được sau khi làm xong đề tài này là .......................................................................................... 55 2. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã gặp phải những khó khăn sau ............................................................................... 55 3. Nhận xét về phần mềm mô phỏng........................................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................................................... 57
  11. 11. GIỚI THIỆU Tổng quan: Nhà máy điện nguyên tử ( nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài người. Trên thế giới có khoảng 447 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động. Nó cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới và sẽ tiếp tục tăng do sự cạn kiệt của các dạng năng lượng truyền thống ( Thủy năng, than, dầu khí…). Yêu cầu về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng cao, trình độ công nghệ của điện nguyên tử cũng được nâng cao an toàn hơn, tin cậy hơn. Dự báo tốc độ gia tăng nhanh nhất về phát điện hạt nhân sẽ là ở các nước đang phát triển, với tốc độ trung bình 4,7% trong suốt thời kì dự báo. Đặc biệt là các nước đang phát triển Châu Á, số lò phản ứng đang xây dựng chiếm đến một nửa số lò phản ứng đang xây dựng trên toàn thế giới. 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 kỉ 21, hiện nay nhiều thế hệ lò mới đang được nghiên cứu phát triển. Chính phủ các nước đang có ngành công nghiệp hạt nhân phát triển đang đầu tư trên 2 tỷ USD 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 của thế kỷ 21”. Trong hoạch định chiến lược phát triển năng lượng và lự 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 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.
  12. 12. 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 trong một những chức năng quan trọng nhất của các nhà hoạch định chính sách.
  13. 13. CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1. Nhà máy điện hạt nhân: Nhà máy điện hạt nhân (Nuclear Power Plant) là một nhà máy tạo ra điện năng bằng cách chuyển năng lượng thu nhiệt thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng. 1.1 Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 bộ phận sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. - Lò phản ứng (Reactor core) là bộ phận giữ vai trò quan trọng nhất. Đồng thời cũng là nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và tạo ra lượng nhiệt rất lớn. - Turbine: Nối liền với một máy phát điện. Nước có nhiệt độ và áp xuất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để “thổi” turbine làm quay máy phát điện. - Máy phát điện chạy bằng hơi nước: chuyển nhiệt năng thành điện năng. - Bộ phận ngưng tụ: (condencer) làm nguội hơi nước và ngưng tụ hơi nước thành nước ở nhiệt độ thấp. Nước nguội sẽ được bơm ngược trở lại lò phản ứng để tiếp tục quy trình. 1.1.1 Lò phản ứng hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân muốn hoạt đông được cần thiết phải có một lò phản ứng. Như đã nói về cấu tạo chung của nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng giữ vai trò trung tâm không thể thiếu được. Vì vậy phần tiếp sau đây em sẽ trình bày kỹ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.
  14. 14. Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân, bao gồm: - Thanh nhiên liệu - Thanh điều khiển - Chất làm chậm - Chất tải nhiệt - Chất phản xạ - Ngoài các bộ phận chính trên thì lò phản ứng còn có thùng lò, tường bảo vệ các vật cấu trúc khác. Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng và chức năng của chúng STT Phần tử Vật liệu Chức năng 1 Nhiên liệu , , Chất phân hạch 2 Chất làm chậm , , C, Be Giảm năng lượng của nơtron nhanh thành nơtron nhiệt 3 Chất tải nhiệt , , , 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
  15. 15. 7 Tường bảo vệ Bê tông, , Fe, Pb Bảo vệ chống bức xạ 8 Các vật cấu trúc khác Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò 1.1.2 Nhiên liệu: Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân có thể là chất Uranium hoặc Plutonium. Thường là U-230, U-233 hoặc Pu-239. Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu như sau: Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu Ban đầu quặng Uranium được khai thác từ các mỏ quặng trong tự nhiên rồi đem tinh chế và làm giàu để tạo thành U-235 là chất có khả năng phân hạch cho năng lượng tốt nhất và tiếp tục được chuyển hóa thành Ô-xít Urani dưới dạng chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung thành những viên dài 1cm, nặng khoảng 7gam. Các viên này được xếp lần lượt vào một ống kim loại, thường là các hộp Zircalloy 4 (Hợp kim của Zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron) dài khoảng 4 mét, bịt kín hai đầu tạo thành một thanh nhiên liệu (fuel rod). Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assemply), rồi các bó nhiên liệu được đưa vào tâm lò phản ứng (reactor). Giữa các bó nhiên liệu có chừa khoảng trống để đặt các thanh điều khiển (control red). Các thanh nhiên liệu phải nằm trong lò từ 3-4 năm để thực hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi một lượng nước rất lớn. Nguồn nước bốc hơi tại đây sẽ tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn làm quay hệ thống turbine để phát điện.
  16. 16. Hình 1.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 1.1.3 Thanh điều khiển: Những thanh này thường được làm từ chất Bo hoặc Cadimi có tính chất: có thể “bắt” được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor). Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như có thể dừng hoàn toàn phản ứng trong lò. 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 neutron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).
  17. 17. Hình 1.5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 1.1.4 Chất làm chậm: Với chức năng làm giảm tốc độ các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch tiếp theo. Các chất làm giảm tốc độ neutron được gọi là chất làm chậm. Các chất làm chậm phải có các tính chất sau: - Hấp thu neutron hiệu quả. - Giảm tốc độ của neutron 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 chậm thông thường: - Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ neutron một cách lãng phí. - Nước nặng ( ) cũng có hiệu suất làm chậm rất tốt do không hấp thụ neutron một cách lãng phí nên đây có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khó điều chế. - Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại ít hấp thụ neutron và giá tương đối rẻ.  Thế nhưng hiện nay chất làm chậm phổ biến nhất vẫn là nước nhẹ 1.1.5 Chất phản xạ:
  18. 18. Chất này hấp thụ nhiệt năng từ vùng phản ứng và truyền ra bên 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. Tùy vào loại lò mà chất tải nhiệt có thể là nước nhẹ, nước nặng hoặc khí. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ, lò nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng, còn lò khí thì dùng chất tải nhiệt là khí hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là 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 chuyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai. Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas hoặc kim loại lỏng tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng sau đó đem lượng nhiệt ấy đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbine. 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 thứ cấp thường là nước. 1.1.6 Thùng lò: Thường làm bằng Fe và S. Có nhiệm vụ chịu áp lực, chứa toàn bộ vùng phản ứng và làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức cho phép. 1.1.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác: Thường là những lớp bê tông rất dày để ngăn cho phóng xạ không rò rỉ ra bên ngoài và bảo vệ các cấu trúc bên trong lò phản ứng. Lò phản ứng được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm và chất tải nhiệt. Hiện nay công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Thực chất chỉ có ba loại là được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất đó là: - Lò nước nhẹ áp lực PWR - Lò nước sôi BWR - Lò nước nặng PHWR  Bắt đầu từ năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện hạt nhân còn được phân chia theo các hệ sau:
  19. 19.  Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu  Thế hệ II: Các nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng và đang vận hành  Thế hệ III và : Các lò phản ứng tiên tiến  Thế hệ IV: Thế hệ lò phản ứng tiếp theo Theo một bài báo về “Nhà máy điện hạt nhân” trên trang wed phanminhchanh.info đăng ngày 04/01/2011 đưa tin: “Một số nhà khoa học Mỹ cho biết, các lò phản ứng thế hệ IV của Mỹ sẽ được đưa ra thị trường vào khoảng năm 2030”. 2. Phản ứng phân hạch hạt nhân: 2.1 Khái niệm: Là một quá trình trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng phân chia thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mảnh vỡ) đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động của một hạt neutron tự do. 2.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch: Khi một neutron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân bị tách thành 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải gióng năng lượng ở dạng động năng của các hạt, bức xạ gamma và phát ra 2 hoặc 3 neutron tự do. Các neutron tự do này sẽ tiếp tục bắn phá các hạt nhân ở gần đó, cứ thế sự phân hạch sẽ tạo thành một dây chuyền. Phần lớn các sản phẩm phân hạch đều có tính phóng xạ. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch “Trên thực tế không phải mọi neutron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch, bởi vì có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: Do hấp thụ bởi
  20. 20. các tạp chất trong nhên liệu hạt nhân (Trong khối Urani hoặc Plutoni…), hoặc bị hấp thụ mà không xảy ra phân hạch hoặc bay ra ngoài thể tích khối Urani hoặc (Plutoni)… Do vậy, nếu có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số neutron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân neutron). - Nếu k< 1: dưới mức tới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. - Nếu k = 1: trạng thái tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân. - Nếu k > 1: vượt mức tới hạn, dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.” Dựa vào nguyên lý trên, các chuyên gia trong lĩnh vực hạt nhân đã thiết kế hệ thống lò phản ứng sao cho có thể điều khiển được phản ứng dây chuyền. Theo hệ thống này, hai neutron sẽ bị hấp thụ, neutron nhanh còn lại sau khi qua chất làm chậm sẽ trở thành neutron nhiệt giống như lúc trước phân hạch và tiếp tục qua trình phân hạch tiếp theo. Hình 2.2 Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân 2.3 Năng lượng phân hạch:
  21. 21. Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng nhỏ nhất cần thiết để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được chia làm hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm vỡ hạt nhân thành các mảnh nhỏ. Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra ứng với độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch. Phản ứng phân hạch là một phản ứng có lợi về mặt năng lượng, tức hầu như không tốn năng lượng cho “viên đạn” neutron đầu tiên, nhưng phát ra nhiều năng lượng. Đó là động năng của các mảnh vỡ và của các neutron sinh ra, tiếp theo là năng lượng của các bức xạ anpha, beta, gamma. Trong lò phản ứng, động năng nói trên sẽ biến thành nhiệt lượng, nung nóng khối nhiên liệu. Chính nhiệt lượng này làm cho dòng nước làm mát lò nóng lên và tạo hơi nước để quay turbin làm chạy máy phát điện. Rõ ràng phân hạch là phản ứng có lợi nhất về mặt năng lượng rất lớn. Thật vậy, năng lượng để tỏa ra khi phân hạch một gam nhiên liệu Uranium bằng nhiệt lượng do đốt cháy khoảng 10-100 tấn nhiên liệu than đá. 2.4 Chất thải phóng xạ: Trong nhà máy điện nguyên tử, nơi sinh ra chất phóng xạ là lò phản ứng do các hoạt động sau: - Nhiên liệu Uranium phân hạch tạo ra các chất phóng xạ khác. - Các chất bên trong thùng áp lực lò phản ứng bị phóng xạ hóa do tác động của neutron và tạo ra chất phóng xạ. - Thông thường, các sản phẩm phân hạch bị nhốt kín bên trong nhiên liệu. Nếu có khuyết tật ở vỏ bọc thanh nhiên liệu thì các sản phẩm phân hạch sẽ rò rỉ vào chất tải nhiệt. - Đồng thời chỉ cần một lượng nhỏ tạp chất sinh ra do ăn mòn trong chất tải nhiệt, chúng cũng sẽ bị nhiễm xạ do tác động của neutron. Nhưng chất tải nhiệt được đưa qua thiết bị làm sạch nên những tạp chất này sẽ bị loại trừ. Vậy chúng ta phải có những biện pháp làm sao cho lượng chất thải rò rỉ ra là ít nhất, có 2 cách sau:
  22. 22. - Việc đảm bảo tính bền vững của nhiên liệu là quan trọng nhất. Nếu nhiên liệu không bị hỏng thì các sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ bị nhốt kín bên trong các vỏ bọc thanh nhiên liệu, lượng thoát ra bên ngoài rất ít. - Một cách hữu hiệu nữa là giảm thiểu lượng chất ăn mòn thoát ra từ các thùng chứa, ống bơm, van của hệ thống sơ cấp lò phản ứng. Để làm được điều này, người ta sử dụng vật liệu chống ăn mòn mạnh và áp dụng những kỹ thuật mới nhất trong việc quản lý chất lượng nước để hạn chế tối đa khả năng ăn mòn. Hơn nữa việc lựa chọn vật liệu có hàm lượng cacbon ít cũng hết sức quan trọng. So với chất thải thông thường và chất thải công nghiệp, có thể nói lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong nhà máy điện nguyên tử rất ít. Cụ thể năm 1995, lượng chất thải bình quân của một người Nhật Bản trong một năm là 3.900 kg. Trong khi đó lượng chất thải phóng xạ phát sinh từ toàn bộ các nhà máy nguyên tử chưa đến 0,104 kg. Có nghĩa là chất thải từ các nhà máy điện nguyên tử tuy phải mất công xử lý phóng xạ nhưng vì lượng ít nên quản lý cũng dễ dàng. Chất thải hạt nhân chia theo đời sống thành 2 loại: những chất có chu kì bán rã dưới 30 năm thì gọi là chất có đời sống ngắn, từ 30 năm trở lên thì gọi là chất có đời sống dài. Chất thải hạt nhân còn chia theo hoạt độ thành chất có hoạt độ rất thấp, thấp, trung bình và cao. Vấn đề đặt ra hàng đầu là phải xử lý các chất thải đó cho thật hiệu quả và an toàn nhất để tránh gây ô nhiễm, gây chiếu xạ, ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống cộng đồng. 2.5 Sử lý chất thải phóng xạ: Sau một thời than hoạt động các thanh nhiên liệu đã cháy phải đưa ra khỏi lò phản ứng, thay bằng các thanh nhiên liệu mới. Chính các thanh nhiên liệu này được coi là nguồn chất thải hạt nhân nguy hiểm nhất và được quan tâm nhiều nhất. Chất thải từ các thanh nhiên liệu từ lò phản ứng nhẹ bao gồm:  U – 235 – 0,8%  U – 236 – 0,46%  U – 238 – 94,3%  Pu – 0,89 %  Các sản phẩm của phản ứng phân hạch – 3,5%  Các sản phẩm khác – 0,05%
  23. 23. Trên thế giới hiện nay có nhiều cách sử lý phóng xạ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện và khả năng cho phép của từng quốc gia. Qua tài liệu thu thập được từ các bài báo, em xin đưa ra một số biện pháp xử lý có thể nói là khá khả thi trong nhiều năm qua. 2.5.1 Pháp, Nga, Nhật, Anh: Chủ trương tái xử lý (retraitement), chất thải phóng xạ, thu hồi chất plutoni và urani có độ giàu đã giảm đi từ 3% xuống còn 0,9%, trộn oxit plutoni và oxit urani thành một dạng nhiên liệu hạt nhân mới gọi là MOX (Mixed Oxyde) và dùng loại nhiên liệu này trong lò phản ứng hạt nhân. Đối với các chất phóng xạ chứa sản phẩm phân hạch có đời sống dài (Chu kỳ bán rã hàng triệu năm) thì phương pháp xử lý là thủy tinh hóa (vitrification) nhằm thu nhỏ thể tích. Phương pháp thủy tinh hóa theo lời của ông Đinh Ngọc Lân như sau: “Năm 1980, khi đến trung tâm xử lý chất thải phóng xạ marcoule ở bên bờ sông Rhone, tôi đã được thăm nhà máy thủy tinh hóa chất thải phóng xạ đầu tiên trên thế giới bắt đầu hoạt động từ năm 1978. Tôi đã thấy những lò nung cao tần nóng rực như lò bát quái, công suất mỗi cái 200 kW, tần số 4 kHz, trong ấy thủy tinh chứa Bo (verre borosilicate) trộn lẫn với chất thải phóng xạ được nung nóng lên đến . Dung dịch nóng chảy này được rót vào những chiếc cốc kim loại, để nguội thành những chiếc cốc thủy tinh chứa chất phóng xạ dài ngày. Những cốc thủy tinh này được cất giữ trong các tấm bê tông để sâu dưới đất. Vì chu kì bán rã của các chất thải phóng xạ này dài đến hàng triệu năm nên những chỗ cất giữ này chỉ là tạm thời, trong khi chờ đợi được cất giữ lâu dài trong các cấu trúc địa chất sâu chừng 500 mét, ở vùng đá hoa cương hay đất sét. 2.5.2 Mỹ: Không chủ trương tái sử lý. Cách làm của Mĩ là sau khi lấy ra khỏi lò phản ứng, các thanh nhiên liệu được cho vào một bể nước ngay ở địa điểm của nhà máy điện hạt nhân để cho nguội đi trong vòng từ 3 – 5 năm. Trong thời gian ấy những chất thải phóng xạ ngắn ngày phân rã đi và hoạt động phóng xạ giảm đi rất nhiều. Chúng được cho vào những thùng container kim loại và cất trong kho 20 – 50 năm, sau đấy đem chôn sâu 300 mét dưới lòng đất ở Yucca Mountain trong một vùng sa mạc ở bang Nevada. Theo quyết định của quốc hội Mĩ thông qua vào năm 2002, việc chôn cất vĩnh viễn các chất thải phóng xạ tại trung tâm Yucca Mountain có thể bắt đầu từ năm 2012. 2.5.3 Phần Lan:
  24. 24. Luật về năng lượng nguyên tử do Quốc hội thông qua năm 1987 đã quy định là các chất thải phóng xạ được chôn cất vĩnh viễn dưới các cấu tạo địa chất sâu. Tháng 1 – 2000, hội đồng vùng Erafoki đã chấp thuận cho chôn chất thải phóng xạ trong vùng. Mùa hè năm 2004, việc quy định nơi chôn cất chất thải phóng xạ trong đá hoa cương ở độ sâu 500 đã bắt đầu và sẽ hoàn tất vào năm 2010. Các nước Thụy Điển, Thụy Sỹ, Bỉ cũng thực hiện phương án chôn trực tiếp các chất thải phóng xạ. 2.5.4 Bungari: Nhà máy điện hạt nhân Kozloduy được xây dựng từ đầu những năm 1970, cách đây đã gần 40 năm. Các chất thải phóng xạ hiện nay đang được cất giữ tại chỗ trong 3 gian nhà, mỗi nhà có 5 thùng, mỗi thùng có dung tích là 500 . Hiện nay tất cả các thùng đã gần đầy hết. Bungary đã kí với công ty Mỹ Westinghouse một hợp đồng trị giá 10 triệu USD để công ty này giúp xử lý chất thải phóng xạ bằng cách dùng xi măng cô đặc rồi chôn không sâu lắm ở Novi – Ham, cách thủ đô Sôfia 30 km về phía Đông 2.5.5 Anh và Đức: Trong thời gian gần đây, các nhà khoa học đã thí nghiệm chuyển hóa chất thải hạt nhân thành những chất vô hại bằng cách sử dụng tia laser. Theo cách này thì mẫu chất phóng xạ được đặt trong một hộp không cản tia sáng rồi cho tia laser cực ngắn vào đốt cháy chất liệu này. Vấn đề còn lại là làm thế nào để có thể tạo ra những tia laser có năng lượng cao và việc làm này rất nguy hiểm cho các nhà khoa học trực tiếp tiến hành các thí nghiệm. Hơn nữa tia laser cần một lực cũng chỉ có thể chuyển biến vài gram chất thải. Các nhà nghiên cứu cho rằng phải mất 10 năm nữa thì dự án mới đi vào thực tiễn. Trong thời gian đó thì chất thải vẫn là vấn đề đáng lo ngại, nhưng kết quả bước đầu của các nhà khoa học đã mở ra cánh cửa trong việc xử lý chất thải. 3. BỨC TRANH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI: Chúng ta tiếp tục tìm hiểu về vấn đề sử dụng điện hạt nhân trên toàn thế giới, để có cái nhìn tổng quan hơn về loại hình năng lượng này. Bằng phương pháp thống kê và tổng hợp chung tôi dựng lên một bức tranh toàn cảnh trong quá khứ, hiện tại cảu các quốc gia đang sử dụng và chuẩn bị đưa vào sử dụng về số lượng nhà máy cũng như chính sách phát triển, cùng với đó là một số thảm họa hạt nhân nghiêm trọng trong lịch sử của ngành công nghiệp năng lượng này.
  25. 25. Hình 1.1 Bức tranh sử dụng nhà máy điện hạt nhân trên Thế Giới 3.1 Quá khứ: Ngày 20 – 12 – 1951 đánh dấu sự ra đời của năng lượng điện hạt nhân khi nước Mỹ đưa vào sử dụng lò phản ứng EBR – 1 có thể thắp sáng 4 bóng đèn, kỷ nguyên điện hạt nhân bắt đầu. Những năm 1954 – 1956 sau đó, đến lượt Nga và Anh sử dụng điện hạt nhân quy mô công nghiệp, các nhà máy điện hạt nhân bắt đầu được chính phủ nhiều nước chấp thuận. Đến những năm 70-80 điện hạt nhân phát triển mạnh do khủng hoảng dầu mỏ đẩy giá điện tăng cao, công nghệ được thương mại hóa giúp nguồn điện này dần được phổ biến ở các nước phát triển như Nga, Pháp, Mỹ, Đức. Vì những ưu điểm như gia điện rẻ, nguồn điện ổn định, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch giúp điện hạt nhân lên ngôi, tỷ trọng điện hạt nhân toàn cầu tăn lên gần 2 lần từ 9% thành 17% [ Trích số liệu của IAEA năm 1890]. Thế nhưng do cuộc chạy đua ngầm mặt công nghệ, điện hạt nhân lúc này đang trở thành mốt, các nước vẫn chưa ý thức cao về vấn đề an ninh năng lượng, xây dựng nhà máy quá vội vã, chỉ chú ý đến vấn đề số lượng mà không quan tâm nhiều đến an toàn hạt nhân.Và sau nhiều sự cố nhỏ trên thế giới, năm 1986, vụ nổ nhà máy điện Chernobyl khiến cả thế giới bừng tỉnh. Ý thức được rõ hơn về sức mạnh của nguồn năng lượng này, các nước bắt đầu thận trọng hơn trong quá trình sử dụng chúng, tốc độ xây dựng nhà máy điện hạt nhân giảm mạnh. Thậm chí tại một số nước như Đức và Thụy Điển, sự phản đối của người dân kết hợp với các yếu tố chính trị khiến chính quyền có chủ trương loại bỏ không sử dụng nữa, yêu cầu bức thiết về năng lượng trên thế giới và ưu điểm không thể chối cãi của nhà máy điện hạt nhân so với các nhà máy
  26. 26. điện truyền thống đã khiến các nước xem xét lại, nhiều nước coi điện hạt nhân là cứu cánh cho nền công nghiệp và là nguồn năng lượng cho tương lai. 3.2 Hiện tại: 3.2.1 Ở Mỹ và các nước phương Tây: Vị thế số một của Mỹ trong việc ứng dụng công nghệ hạt nhân từ lâu đã được khẳng định, 104 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động tạo ra lượng điện năng chiếm 20% cả nước đã nói lên rằng không ai khác ngoài Mỹ là nước có nền công nghiệp nguyên tử phát triển nhất. Ngoài sự cố ở đảo Ba Dặm, trong suốt 30 năm các nhà máy điện của Mỹ luôn hoạt động bình thường [Theo thống kê của cục năng lượng của Mỹ]. Năm 2002, tổng thống G.Bush đã công bố một chương trình mang tên “Tầm nhìn 2020” với nội dung là khuyến khích các trung tâm nguyên cứu hạt nhân xây dựng một hệ thống lò mới có hiệu suất cao hơn, an toàn hơn, giảm sự phụ thuộc vào con người, đồng thời tiếp tục nâng cao sản lượng điện hạt nhân lên thêm 10000 MW vào năm 2012. Cuối năm 2010 vừa qua, Nghị viện Châu Âu bỏ phiếu tán thành nghị quyết cho rằng năng lượng hạt nhân là tuyệt đối để EU đáp ứng nhu cầu điện năng trung hạn. Nghị quyết đó đã được thể hiện bằng hành động thực tế của một loạt các nước. Vương quốc Anh đã quyết định tái khởi động chương trình điện hạt nhân, phê chuẩn kế hoạch xây dựng một thế hệ nhà máy điện hạt nhân mới thay thế cho những nhà máy sẽ hết hạn vào năm 2030. Pháp là nước có tỷ trọng điện hạt nhân lớn thứ 2 châu Âu với khoảng 73%, chỉ đứng sau Lunathia với 83%. Sở hữu ba trong số mười nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới chứng tỏ rằng điện hạt nhân chính là lựa chọn của nền công nghiệp năng lượng của nước này. Công ty điện Electricite de France là công ty điện lớn nhất châu Âu là nơi đào tạo nhân lực cho ngành điện hạt nhân tốt nhất thế giới, với kinh nghiệm hàng đầu của mình vừa qua chính phủ Pháp đã ký cam kết về việc giúp đỡ Việt Nam về mặt đào tạo nhân sự nếu Việt Nam xây dựng nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên không phải nước nào trong khối EU cũng ủng hộ loại hình năng lượng này, Bỉ, Đức, Thụy Điển là 3 nước đang cắt giảm tỷ trọng điện hạt nhân, thay thế bằng các năng lượng sạch hơn như năng lượng gió, mặt trời v.v… Mới đây thủ tướng Đức Angela Merkel đã quyết định đóng cửa 7/17 nhà máy điện hạt nhân của nước này, chính phủ Bỉ và Thụy Điển cũng đang có những động thái tương tự. Thế nhưng việc ứng dụng những loại năng lượng thay thế cũng không phải thay thế bởi chi phí xây dựng cá nhà
  27. 27. máy điện loại này quá cao và sẽ đẩy giá điện tăng cao gây ảnh hưởng xấu cho nền kinh tế của các nước này và đây cũng là bài toán khó cho những người đứng đầu nhà nước. Như vậy với hơn 146 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên khắp châu Âu và 104 đối với Mỹ thì điện hạt nhân vẫn đang là nguồn năng lượng không thể thay thế [Thống kê của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA năm 2009]. Mặc dù cũng có những ý kiến phản đối về nguồn năng lượng này thế nhưng những ưu điểm không thể chối cãi cùng với nhu cầu bức thiết cuả nền công nghiệp khiến điện hạt nhân vẫn đang được phát triển và ngày càng lan rộng sang các khu khác mà điển hình là Châu Á. 3.2.2 Ở châu Á: Theo số lượng thống kê của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), Châu Á Thái Bình Dương là nơi có số lượng xây dựng nhà máy điện hạt nhân cao hơn cả, riêng trung quốc có hơn 27 lò phản ứng đang xây dựng, chiếm 40% số lượng nhà máy đang xây dựng trên thế giới, tiếp theo là Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ… Ngay cả Việt Nam cũng đã có đề án xây dựng nhà nhà máy điện hạt nhân. Nhật Bản là nước đứng đầu châu Á về số lượng nhà máy đang hoạt động với 54 nhà máy, Hàn Quốc là 18 nhà máy, nguyên nhân là do sự khan hiếm về tài nguyên hóa thạch, khiến hai nước này phải sử dụng điện hạt nhân để đảm bảo an ninh năng lượng trong nước. Tại Nhật, điện hạt nhân chiếm 30% tổng công suất phát điện của nước này, con số này đối với Trung Quốc là 35% và còn tiếp tục tăng. Còn đối với Trung Quốc, sau khi vươn lên trở thành nền kinh tế thứ 2 thế giới vẫn không ngừng phát triển với mục tiêu trở thành cường quốc số một thế giới, cộng với việc bùng nổ dân số, nhu cầu về điện là vấn đề quan trọng hàng đầu. Nhận thấy sự hụt hơi của các dạng năng lượng truyền thống, Trung Quốc đã tập trung phát triển năng lượng hạt nhân, liên tục xây dựng các nhà máy điện nguyên tử và dự kiến đến năm 2020 đưa vào sử dụng 30 nhà máy điện loại này, nâng tỷ trọng điện hạt nhân sẽ chiếm 10% tổng sản lượng điện khổng lồ của nước này. Uy tín của Nga với tư cách là nhà nhà cung cấp điện hạt nhân dân sự hàng đầu sau thảm họa Chernobyl đã giảm sút nghiêm trọng và đang nỗ lực để lấy lại hình ảnh của mình. Chính phủ Nga đã thành lập một tập đoàn cung cấp năng lượng hạt nhân để cạnh tranh với các đối thủ bên ngoài bằng cách cung cấp các mô hình an toàn hơn, nâng cao hiệu suất sử dụng, đồng thời tích cực nâng cao sản lượng điện nguyên tử trong nước từ 16% lên 30% trong năm 2012. Có thể nói động thái này của Nga đã
  28. 28. khiến thị trường thương mại công nghệ nguyên tử sôi động hẳn, giảm bớt sự độc quyền của Mỹ và các nước phương Tây đối với loại hình năng lượng này. Các nước khác trong khu vực như Thái Lan, Malaysia, Indonesia, Việt nam cũng đang nghiên cứu loại hình cung cấp năng lượng điện mới rẻ này… Indonesia đang có kế hoạch xây dựng các nhà máy điện hạt nhân với tổng công suất 1000MW tại JaVa, cùng với đó cơ quan năng lượng Thái Lan tuyên bố sẽ xây 2 nhà máy điện hạt nhân vào năm 2015. Tại Việt Nam, đề án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I tuy còn vấp phải nhiều ý kiến trái chiều nhưng mức độ khả thi là tương đối lớn. Tại châu Á, các nhà máy điện đang dần và sắp trở thành nguồn cung cấp năng lượng không thể thiếu, thay thế các nhà máy điện truyền thống, giảm bớt sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Mặt khác, việc chú trọng đầu tư vào công nghệ hạt nhân của Trung Quốc và nỗ lực lấy lại hình ảnh của Nga giúp cân bằng cán cân quân sự, tạo thế kiềng 3 chân vững chắc về mặt chính trị. 3.2.3 Các nước khác: Ở Canada, việc mở rộng sản suất điện hạt nhân ngắn hạn có thể diễn ra với hình thức tái khởi động một vài hoặc 8 nhà máy đang bị đóng cửa. Nam Phi là đất nước duy nhất cảu châu Phi có nhà máy điện nguyên tử và vẫn đang tiếp tục đầu tư để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày một tăng cao. Tại Mỹ la tinh có 6 nhà máy đang hoạt động chia đều cho 3 nước, Argentiana, Brazil và Mexico. 4. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA: Về cơ bản, những ưu điểm của điện hạt nhân đang được cả thế giới đón nhận nhưng những vấn đề liên quan tới nó trong việc sản suất vũ khí hạt nhân khiến cả nhân loại đang phải xem xét lại nó. Hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Hiroshima và Nagasaki của Nhật Bản đã trình diễn khả năng tàn phá kinh hoàng của loại vũ khí mới này. Cả thế giới lo ngại nếu loại vũ khí đó loạt vào tay các tổ chức khủng bố hoặc sử dụng trong chiến tranh phá hoại thì nguy cơ đưa thế giới về thời kỳ đồ đá là không có gì khó. Đứng trước những lo ngại này cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã được thành lập 29/07/1957 với mục đích đẩy mạnh việc sử dụng nguyên tử vì mục đích hòa bình và ngăn chặn việc sử dụng hạt nhân vào mục đích quân sự. Vào những năm 90 khi mà cả thế giới đang nổ ra cuộc chạy đua vũ trang về vũ khí hạt nhân, IAEA đã không làm tốt nhiệm vụ của mình một phần là ý thức của các nước sử dụng loại vũ khí này là chưa cao, mặt khác quyền lực thanh tra của tổ chức này còn thấp. Vụ việc đó đã khiến liên hợp quốc nhận thấy sự yếu kém của tổ chức
  29. 29. này, quyết định cải tổ, ủy quyền thi hành việc thanh sát quốc tế để có thể phát hiện những ý đồ chuyển thiết bị hạt nhân phục vụ mục đích dân sự sang mục đích quân sự. Theo đó việc làm giàu Uranium sẽ được giám sát chặt chẽ, những hành vi đen tối sẽ được ngăn chặn kịp thời. Cho đến hiện nay, cơ quan này đã thực hiện tốt nhiệm vụ của mình và đã đạt được nhiều thành tựu đáng chú ý, giúp cho vấn đề an ninh hạt nhân thế giới luôn ổn định. 4.1 Một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân: 4.1.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor): Đây là kiểu lò phổ biến nhất với hơn 230 lò hiện đang vận hành trên khắp thế giới. Thiết kế cơ bản của kiểu lò này có nguồn gốc từ các lò phản ứng hạt nhân sử dụng trong các tàu 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 xuất rất cao và chu trình thứ hai được sử dụng là hơi được sinh ra để chạy turbine. Hình 1.1 Lò nước nhẹ áp lực PWR Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 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 thì 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.
  30. 30. Vòng thứ cấp được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ phận trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nước làm quay turbine máy phát để sản xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua các bộ phận trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp. Yêu cầu độ sạch của nước vòng hai rất cao, do vậy để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở turbine đều được ngưng tụ và đưa trở lại chu trình công nghệ. Do vậy, vòng hai của nhà máy điện hạt nhân cũng là một chu trình kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát ra. Hình 1.2 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 neutron 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 chịu bức xạ cao được chế tạo rất phức tạp. Mặt trong vỏ lò tiếp xúc với nước được phủ một lớp không gỉ để tránh ăn mòn và giảm quá trình giòn vỏ lò do tương tác của dòng nơtron cao, chiếu xạ mạnh. Để đảm bảo 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 năm đến 60 năm. Các thông số của lò PWR công suất 1160 Mwe được trình bày trong bảng 2. Bảng 2: Một số thông số chính của kiểu lò PWR – 1160 Mwe Thông số cơ bản của lò PWR Công suất nhiệt 3424 MWt
  31. 31. 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 liệu 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 xuất trong lò 157 Kg/ Chất tải nhiệt Chất làm chậm nơtron Thông lượng chất tải nhiệt qua lò 60. t/h Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò 289/ Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và hệ thống điều khiển được bố trí ở trên vùng hoạt động. Điều này cho phép các thanh điều khiển có thể tự rơi vào vùng hoạt động để dập lò khi cần thiết. Các lò PWR có các bó nhiên liệu với các thanh nhiên liệu trong mỗi bó từ 200- 300 tùy thuộc vào cấu hình của bó nhiên liệu (15 × 15, 16 × 16, 17 × 17 …), 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 lượng 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 đều có dạng 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 thành các viên nhiên liệu có đường
  32. 32. 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 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 1.3 Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái phương Tây và Nga Nhà máy điện hạt nhân với lò PWR có công nghệ hai vòng. Trong sơ đồ công nghệ này nhất thiết phải có thiết bị sinh hơi là thành phần phân chia 2 vòng. Có thể nói thiết bị sinh hơi thuộc vòng một hay vòng hai đều đúng. Hình 1.4 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 nước sôi trong vòng một, áp suất của nó phải đủ lớn, thường là cao hơn
  33. 33. 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 điện hạt nhân 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 điện được thuận tiện hơn. Nhưng mặt khác, thiết bị sinh hơi là một khâu yếu trong nhà máy điện hạt nhân với lò PWR. Trong thiết bị này có hàng ngàn ống trao đổi nhiệt, nhiều hỏng hóc thường xảy ra với các ống này như tắc nghẽn, đức gãy, thủng do ăn mòn và cọ sát 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 điện hạt nhân hai vòng cần vốn đầu tư nhiều hơn nhiều so với nhà máy một vòng. Nhưng do yêu cầu đảm bảo an toàn phóng xạ, phải xử lý (trao đổi ion) toàn bộ lưu lượng nước ngưng tụ (sau turbine) 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. PWR được dùng chủ yếu trong thế hệ lò phản ứng II và đã được dùng trong thiết kế nhà máy điện thương mại đầu tiên là nhà máy điện hạt nhân tại Shippingport (Mỹ). 5. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân: Bắt đầu những năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện nhân được chia thành các thế hệ: o Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu. o Thế hệ II: Các nhà máy điện hạt nhân 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. o Các thế hệ III, III+ và IV kế thừa các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của các thế hệ khác.
  34. 34. Hình 2.1 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 năm 1956 với công suất ban đầu là 50 MW.Nhà máy điện hạt nhân 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 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 vẫn đang được điều 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. - Các lò cải tiến thế hệ System 80+ do CE (Combustion Engineering), nay thuộc Westinghouse thiết kế. - Các loại 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.
  35. 35. - Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / Europear 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 CONVOI 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 vận hành và xây dựng ở nhiều nước khác nhau. Một số thiết kế khác cũng đang trong giai đoạn xin được cấp chứng nhận thiết kế của NRC như US EPR. Các cải tiến quan trọng so với thế hệ II bao gồm: - Hoàn thành 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 thế kế 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 được cấp phép xây dựng. Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010. Các thiết kế 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 Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ System 80+ của Mỹ. - Lò WWER – 1200: AES-2006 của Nga thiết kế.  Thế hệ IV: Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation IV International Forum) theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên khác. Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở gia đoạn thiết kế khái niệm hoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030. Năm 2002 GIF đã đưa ra lịch trình (Roadmap) cho 6 thiết kế thế hệ IV gồm ba loại lò nowtron nhiệt và ba loại lò nơtron nhanh. Đặc trưng an toàn qua các thế hệ.
  36. 36. Một số đặc trưng về các thế hệ công nghệ lò nêu trong bảng: Bảng 3: Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ công nghệ lò Thế hệ lò Đặc trưng thiết kế Xác suất phá hủy vùng hoạt năm - 1 Xác suất phát xạ ra môi trường năm - 1 Ví dụ loại lò I Các hệ thống an toàn chủ động + tòa nhà bảo vệ 10-4 10-5 Phần lớn các lò đang hoạt động Szewell, N4 II Các hệ thống an toàn chủ động cải tiến: Đặt bẫy Corium và quản lý sự cố + tòa nhà bảo vệ 10-4 – 10-6 10-6 – 10-7 Convoi, System 80+, AES-91,EPR, ABWR, AP-1000 III Các hệ thống an toàn chủ động và thụ động: Đặt bẫy corium + quản lý sự cố + tòa nhà bảo vệ 10-6 – 10-7 Hầu như không thể xảy ra ESBWR, SIR, AES-92 MHTR, PIUS, ISIS,PRIS, SAFR, PBMR IV Hoàn toàn thiết kế mới: Hầu như không có khả năng nóng chảy vùng hoạt (“NLHN không có thảm họa”) Nhỏ hơn mức có thể tiên đoán
  37. 37. Những lò thế hệ III và III+ có các đặc tính sau: o Tiêu chuẩn hóa thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng. o Thiết kế đơn giản và vững chắc hơn làm chúng dễ vận hành và ổn định trong hệ thống có nhiều dao động. o Hệ số sẵn sàng hoạt động cao hơn và tuổi thọ dài hơn – mức điển hình là 60 năm. o Xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt giảm. o Tác động tới môi trường ở mức tối thiểu. o Độ sâu cháy cao hơn và từ đó giảm nhiên liệu sử dụng và lượng thải phát sinh. o Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được nhằm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu. Khác biệt lớn nhất so với các thiết kế hiện thời là nhiều nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới tích hợp được đặc điểm an toàn thụ động hoặc nội tại, không đòi hỏi sự kiểm soát chủ động từ con người hay sự can thiệp của nhân viên vận hành để tránh tai nạn khi vận hành. 6. Một số tai nạn của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới: 6.1 Tai nạn tại nhà máy điện nguyên tử TMI ( Three Mile Island ) của Mỹ: - Ngày 29/03/1979, tại tổ máy số 2 nhà máy điện nguyên tử TMI ( Three Mile Island ) thuộc bang Pensylvenia đã xảy ra tai nạn làm chất phóng xạ thoát ra môi trường xung quanh khiến một bộ phận dân cư phải đi lánh nạn. TMI-2 là công nghệ PWR với công suất 950 MW. - Nguyên nhân chính của tai nạn này là do bơm cấp nước chính bị ngừng hoạt động. thông thường thì bơm cấp nước phụ sẽ khởi động nên không có vấn đề gì nhưng khi đó van đầu ra của bơm cấp nước phụ lại đang bị đóng nên không thể phát huy được tác dụng. Ngoài ra, nhân viên vận hành lại ngưng hệ thống tải nhiệt tâm lò khẩn cấp (ECCS) đã bắt đầu vận hành tự động và van áp lực đáng lẽ cần phải được đóng khi áp lực lò phản ứng giảm lại ở trạng thái mở. Đó là một loạt các hỏng hóc của máy móc và thao tác sai chồng chéo lên nhau. Do đó nước là chất tải nhiệt sơ cấp lò phản ứng bị giảm đi, bộ phận phía trên của tâm lò bị mất nước gây tổn thất nhiên liệu và làm chảy một phần cấu trúc bên trong lò.
  38. 38. - Theo đánh giá, cư dân sống trong phạm vi 80km từ nhà máy phải nhận tia phóng xạ ở mức độ 0,01 mSv trên đầu người, nhưng cũng không đáng kể nếu so với lượng phóng xạ tự nhiên nhận trong 1 năm (2,4 mSv).  Nếu nhìn tai nạn này từ góc độ khác thì có thể đánh giá như sau: 6.1.1 Nhân viên vận hành phán đoán nhầm:  Có thể đóng van áp lực bằng tay nhưng lại không đóng trong một thời gian khá lâu.  Cho rằng có đủ nước trong lò.  Ngừng sớm thiết bị làm mát tâm lò khẩn cấp. 6.1.2 Nhân viên vận hành vi phạm nguyên tắc:  Vận hành khi vẫn đóng van đầu ra của bơm cấp nước phụ. 6.1.3 Khiếm khuyết trong thiết kế:  Van áp lực vẫn không được đóng lại khi áp lực giảm.  Nước tràn ra từ bể chứa dịch thải của tòa nhà phụ dẫn nước đọng bên trong thùng chứa lò và chảy xuống sàn. 6.2 Tai nạn của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ: Ngày 26/04/1986, xảy ra tai nạn ở tổ máy số 4 nhà máy điện nguyên tử Chernobyl cách thủ đô Kiev nước cộng hòa Ucraina thuộc Liên Xô cũ khoảng 130km về phía bắc. Lò phản ứng này có công suất 3200 MW sử dụng than chì làm chất làm chậm và chất tải nhiệt là nước nhẹ. Đây là loại lò phản ứng đặc thù do Nga phát triển. Tai nạn này xảy ra khi đang tiến hành thử nghiệm những nguồn điện cung cấp từ bên ngoài để xem với vòng quay quán tính của turbine máy phát điện sẽ thu được bao nhiêu điện năng. Từ một loạt các sai xót như việc nhân viên vận hành thao tác vi phạm nguyên tắc vận hành làm cho thiết bị ngừng lò hoạt động không hoạt động, quá ưu tiên cho việc hoàn thành thử nghiệm, làm khác với kế hoạch, lò phản ứng chạy ở công suất thấp không ổn định, rồi vi phạm tới cả nguyên tắc về các thanh điều khiển. Do đó, công suất của lò phản ứng tăng lên nhanh chóng, nhiên liệu bị quá nhiệt, phát sinh hơi nước dữ dội dẫn đến phá hủy ống áp lực, một phần lò phản ứng và khu nhà lò. Theo các nhà chức trách, có 31 người chết trong tai nạn này ( trong đó một người chết do bỏng khi đang dập lửa và một người khác mất tích) và 203 người nhập viện do nhiễm phóng xạ cấp tính. Do lò phản ứng và khu nhà bị phá hỏng nên các chất phóng xạ bên trong lò phản ứng thoát ra ngoài. Ngay sau khi tai nạ xảy ra, khoảng 135 dân cư trong vòng bán kính 30km từ nhà máy đã phải đi sơ tán.
  39. 39. Người ta đánh giá, lượng tia phóng xạ mà những dân cư này phải nhận là 16000 Sievert, nếu tính bình quân thì mỗi người nhận 120 mSv và cao hơn khoảng 50 lần so với lượng tia phóng xạ nhận từ tự nhiên (khoảng 2,4 mSv). Chất phóng xạ vượt qua biên giới làm ô nhiễm một phạm vi rộng lớn, sang các nước châu Âu tiếp giáp với Liên Xô cũ. Nếu nhìn tai nạn này từ góc độ khác thì thì có thể đánh giá như sau: 6.2.1 Sự khiếm khuyết của hệ thống quản lý: - Lập kế hoạch thử nghiệm mà không có sự đồng ý của Ủy ban Giám sát năng lượng nguyên tử Quốc gia. - Vì ưu tiên thử nghiệm nên trình tự thử nghiệm liên tiếp bị thay đổi do sự phán đoán của nhân viên vận hành. 6.2.2 Sự khiếm khuyết của chức năng đóng kín các: Chất phóng xạ. Không có vỏ lò phản ứng: 6.2.3 Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận: hành thiếu kiến thức: - Ngắt thiết bị làm lạnh tâm lò khẩn cấp rồi vận hành. - Thử nghiệm với công suất thấp hơn kế hoạch. - Rút các thanh nhiên liệu trên mức được quy định. - Không để thiết bị ngừng tự động lò phản ứng hoạt động. 6.2.4 Khiếm khuyết về mặt quan trọng thiết kế: - Khi công suất thấp, lò vận hành không ổn định. Nếu công suất tăng lên một chút và lượng hơi nước tăng lên thì công suất sẽ tăng lên nhanh chóng. - Mất thời gian khi đưa các thanh điều khiển vào. 6.3 Tai nạn ở công ty JCO tại Tokaimura Nhật Bản: Ở Nhật Bản, mặc dù đã áp dụng những biện pháp bảo đảm nghiêm ngặt về an toàn, thế nhưng lại xảy ra tai nạn tới hạn ở công ty JCO tại Tokaimura: - Nơi xảy ra tai nạn không phải là nhà máy điện nguyên tử mà ở một cơ sở nhỏ thử nghiệm xử lý Uranium làm giàu cao. - Tai nạn xảy ra vào lúc đang tiến hành xử lý Uranium làm giàu khoảng 20% sử dụng cho lò phản ứng tái sinh nhanh. Đây là việc xử lý tạm thời trong thời gian từ 2-3 năm một lần, do vậy mà ít có người có kinh nghiệm. (Khi độ làm giàu cao thì khả năng xảy ra tai nạn tới hạn cũng lớn hơn).
  40. 40. - Ở cơ sở này, độ lớn và hình dạng của các thùng chứa được thiết kế sao cho làm việc ở mức độ nào chăng nữa cũng không xảy ra tới hạn. Do vậy, nếu sử dụng các trang thiết bị này thì tai nạn giới hạn đã không xảy ra. - Nếu sử dụng các trang thiết bị an toàn này thì thời gian xử lí sẽ lâu hơn. Công ty đã chạy theo năng suất, bỏ qua các trang thiết bị này và xử dụng phương pháp xử lý đơn giản để rút ngắn thời gian làm việc (Vi phạm quy tắc). - Lãnh đạo công ty đã ngầm cho phép nhân viên của mình thực hiện công việc này (vi phạm an toàn). - Có một lượng lớn dung dịch Uranium làm giàu cao vào thùng chứa vượt quá dung lượng cho phép dẫn đến tai nạn tới hạn.  Bài học về tai nạn này đã dạy cho chúng ta thêm một lần nữa về quan điểm ưu tiên an toàn và giáo dục an toàn thường ngày quan trọng như thế nào. 6.4 Một số hình ảnh cháy nổ nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản: Hình 3.1 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản
  41. 41. Hình 3.2 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản Hình 3.3 Tai nạn nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản
  42. 42. Hình 3.4 Thảm họa sau tai nạn hạt nhân ở Mỹ 7. Các tiêu chí đánh giá mức độ tai nạn nguyên tử: Sự cố, hư hỏng trục trặc tại nhà máy điện nguyên tử (khác với tai nạ giao thông) Mang tính chất kỹ thuật hay chuyên môn. Việc đánh giá múc độ sự cố khá phức tạp, dẫn đến những lo lắng không cần thiết. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEI) đánh giá mức độ nghiêm trọng của tai nạ hạt nhân theo tiêu chuẩn INES (International Nuclear Event Scale) với 8 cấp (từ 0 đến 7).  Cấp 0: sự kiện không ảnh hưởng gì về an toàn.  Cấp 1: sự kiện bất thường gây ảnh hưởng đến công việc vận hành nhưng không làm ảnh hưởng ở bên trong và bên ngoài cơ sở hạt nhân. Từ cấp 1 đến cấp 3 là sự cố hạt nhân, từ cấp 4 đến cấp 7 là tai nạn hạt nhân Tai nạn tới hạn ở Taikomura xảy ra ngày 30/09/1999 là tai nạn cấp 4, nghĩa là cấp thấp nhất của tai nạn hạt nhân. INES được sử dụng như một công cụ hữu hiệu cung cấp thông tin chính xác cho công chúng về mức độ nghiêm trọng của sự kiện hạt nhân. INES giúp cho công chúng, các phương tiện thông tin đại chúng hiểu một cách thống nhất về các sự kiện hạt nhân. Hệ thống dịch vụ thông tin INES hiện có đại diện của 60 quốc gia trên toàn thế giới. 7.1 Rạn nứt do ăn mòn ứng suất (Stress Crrosion Cracking:SCC) SCC là hiện tượng trong các cấu trúc như ống thép không gỉ có một số chỗ mà ứng suất tập trung bị suy giảm, ăn mòn và gây ra rạn nứt. Thép không gỉ là hợp kim tạo ra từ Fe, Cr và C, không bị gỉ và là vật liệu rất ưu việt có độ cứng cao. Tuy nhiên chỉ có một khuyết điểm là trong điều kiện nào đó sẽ gây ra SCC.Điều này dễ xảy ra ở
  43. 43. những chỗ ứng suất dư như xung quanh các mối hàn hoặc hoặc ở những chỗ nước đọng. Rạn nứt phát sinh từ bên trong ống, đi qua cấu trúc các hạt kết tinh của thép rồi lan ra phía bên ngoài ống. Người ta cũng biết rằng nếu hàm lượng carbon trong thép không gỉ thấp thì SCC sẽ khó xảy ra hơn. 7.2 Những biện pháp được áp dụng để phong chống hiện tượng SCC: Người ta áp dụng một số biện pháp như sau: - Chế tạo vật liệu thép không gỉ có hàm lượng carbon thấp Ví dụ: SUS 304 là SUS 304L SUS 316 là SUS 316L - Giảm bớt tác động nhiệt khi hàn bằng cách thu hẹp chỗ hàn và dùng hàn tự động. - Hạn chế các chỗ nước đọng trong ống. 7.3 Sự cố máy bay dân dụng đâm vào nhà máy điện nguyên tử : Nhà máy điện nguyên tử được xây dựng vô cùng chắc chắn, tâm lò phản ứng mang nhiên liệu hạt nhân được bảo vệ bên trong vỏ lò bằng thép dày 20cm. Thùng lò phản ứng còn được bao bọc bởi bức tường chắn tia phóng xạ băng bê tông cốt thép dày tới 2m. Hơn nữa, ở phía bên ngoài còn có thùng chứa lò phản ứng. Giả sử nhà máy điện nguyên tử bị tấn công bằng tên lửa, khi đó tên lửa có thể xuyên qua thùng chứa lò phản ứng nhưng không thể xuyên qua bức tường chắn tia phóng xạ dày 2m bằng bê tông cốt thép. Dù máy bay phản lực cỡ lớn rơi xuống nhà máy điện nguyên tử từ độ cao 10.000 mét cũng không thể phá hỏng thùng áp lực lò phản ứng. Tâm lò phản ứng rất vững chắc, nếu có thể giữ được chức năng làm lạnh tâm lò thì sẽ không xảy ra thảm họa lớn làm chất phóng xạ thoát ra môi trường bên ngoài như tai nạn Chernobyl. Có nghĩa là khi đó chức năng của nhà máy điện bị mất nhưng hầu như không gây hại cho cư dân xung quanh. Nếu máy bay hàng không dân dụng bị không tặc tấn công và sử dụng máy bay chứa nhiều nhiên liệu để đâm vào nhà máy điện nguyên tử thì sẽ ra sao ? Về điều này thì không thể trả lời được vì không có ai ước tính và cũng không có phân tích gì. Có lẽ nhà máy điện nguyên tử sẽ bị thiệt hại khá nhiều, nhưng chất phóng xạ phát tán có thể được khống chế và ngăn chặng lại trong phạm vi giới hạn nhỏ nhất. 8. Tình hình năng lượng nguyên tử của Việt Nam: Ở Việt Nam tình trạng thiếu hụt năng lượng điện cũng đang là một bài toán nan giải và cần được giải quyết. Ngày 25/11/2009, Quốc hội đã thông qua Nghị quyết
  44. 44. 41/2009/QH12 về chủ trương đầu tư nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận với tổng công suất thiết kế 4.000 MW, bao gồm hai nhà máy: Ninh Thuận I và Ninh Thuận II. Trong mỗi nhà máy sẽ có hai tổ máy (mỗi tổ máy có công suất khoảng 1.000 MW). Tổng mức đầu tư của dự án khoảng 200.000 tỉ đồng (tại thời điểm lập dự án, quý 4/2009). Theo lộ trình, nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận I sẽ được gia công vào năm 2014 và đưa tổ máy đầu tiên vào vận hành năm 2020. Nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận II sẽ được sẽ được Quốc hội quyết định vào thời điểm xây dựng tùy theo tình hình chuẩn bị. Ngày 27/05/2010, tại hội thảo công nghệ điện nguyên tử lần thứ IV, PGS. TS Vương Hữu Tấn, Viện trưởng Viện Năng Lượng Nguyên Tử cho biết: Sau một thời gian dài nghiên cứu, khảo sát, Chính phủ đã chọn Nga làm đối tác cung cấp công nghệ cho nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận I, tại tỉnh Ninh Thuận.Việc chọn Nga làm đối tác cung cấp điện nguyên tử là vì; Hiện nay, công nghệ điện nguyên tử lò nước nhẹ của Nga được coi là công nghệ nguồn, được cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA đánh giá và đảm bảo độ an toàn cao. Công nghệ điện nguyên tử lò nước nhẹ là loại công nghệ vận hành rất an toàn trong khoảng một thế kỷ qua. Nga cũng cam kết giúp Việt Nam xử lý toàn bộ chất thải hạt nhân, với mức công suất là 2.000 MW( áp dụng cho Ninh Thuận I ). Thủ tướng vừa phê duyệt định hướng phát triển diện nguyên tử cho Việt nam đến năm 2030, với mục tiêu tổng quát là: Từng bước xây dựng và phát triển ngành công nghệp điện tử Việt Nam đảm bảo quản lý an toàn và khai thác hiệu quả các nhà máy điện nguyên tử. Từng bước tăng dần tỷ lệ tham gia của các ngành công nghiệp trong nước vào thực hiện các dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử. Tiến đến tự chủ về: Thiết kế, chế tạo, xây dựng, lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng,… Theo quy hoạch, dự án phát triển điện nguyên tử Việt Nam được chia thành 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1 đến năm 2015 - Giai đoạn 2 đến năm 2020 - Giai đoạn 3 đến năm 2030  Giai đoạn 1 đến năm 2015 - Hoàn thành phê duyệt dự án đầu tư - Phê duyệt địa điểm - Tổ chức chọn lựa nhà thầu - Chuẩn bị đội ngũ quản lý dự án và các chuyên gia kỹ thuật nòng cốt đáp ứng nhiệm vụ khởi công xây dựng nhà máy điện nguyên tử đầu tiên.
  45. 45.  Giai đoạn 2 đến năm 2020: - Hoàn thành việc xây dựng và đưa tổ máy điện đầu tiên của nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận I vào vận hành, phát điện thương mại vào năm 2020. - Đưa tổ máy 2 vào vận hành vào năm 2021. - Khởi công xây dựng nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 2, tiến hành công tác chuẩn bị xây dựng các nhà máy điện nguyên tử tiếp theo.  Giai đoạn 3 đến năm 2030: - Triển khai xây dựng các nhà máy điện nguyên tử tiếp theo, đưa điện nguyên tử trở thành nguồn điện chủ lực của Việt Nam. - Đặt mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế nhà máy điện nguyên tử, có khả năng tham gia thiết kế cùng với các đối tác nước ngoài vào các công trình nhà máy điện nguyên tử. Chiếm khoảng 30-40% tổng giá trị hợp đồng xây lắp. Tóm lại đến năm 2020, tổ máy điện nguyên tử đầu tiên của Việt Nam sẽ đi vào vận hành với công suất khoảng 1.000 MW. Đến năm 2025, tổng công suất các nhà máy điện nguyên tử sẽ vào khoảng 8.000 MW. Đến năm 2030, tổng công suất các nhà máy điện nguyên tử sẽ tăng lên khoảng 15.000 MW ( chiếm khoảng 10% tổng công suất các nguồn điện). Hình 4.1 Mô hình nhà máy điện tại Ninh Thuận
  46. 46. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR. Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã thiết lập chương trình về các chương trình tính toán mô phỏng lò phản ứng hạt nhân để hỗ trợ các quốc gia thành viên trong việc đào tạo chuyên gia hạt nhân. Mục tiêu của chương trình là cung cấp thông tin và hiểu biết về các đặc trưng vận hành, hệ thống điều khiển độ phản ứng, hệ thống an toàn và đặc trưng các quá trình chuyển tiếp và các tình huống tai nạn đối với các loại nhà máy điện hạt nhân thông thường. Để đạt được mục tiêu này, IAEA đã phát triển và phân phối các phần mềm mô phỏng và tài liệu đào tạo tương ứng, đồng thời tài trợ các khóa đào tạo, hội thảo và phân phối các chương trình tính toán. Hình 1.1 Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân 1. Xuất sứ: - Được viết bởi S. Fehér and L. Nemes. - Phát hành với giao diện điều khiển 3.10. - Quyền tác giả của trường đại học kỹ thuật Budapest. - Viện kỹ thuật hạt nhân 1991. Gy.Cson, S.Élo,S. Fehér, L. Nemes, B. Szepessy - Kiểm soát giao diện bởi S.Élo and L. Nemes.
  47. 47. 2. Cách chạy phần mềm: - Đầu tiên ta mở thư mục chứa file phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR - Sau đó kích đúp vào biểu tượng start
  48. 48. - Nhấn enter trên bàn phím - Trên màn hình xuất hiện bảng các khối chức năng và chọn thông số. - Nhấn enter 2 lần hệ thống sẽ chạy 3. Chức năng của các thông số mô phỏng: 3.1 Ứng dụng: Có hai chế độ để lựa chọn  Mô phỏng
  49. 49.  Phát lại 3.2 Chế độ: Chọn các chế độ của nhà máy cho phần mềm.  Năng lượng giới hạn  Khởi động  Xenon 3.3 Tạo File thư mục: 3.4 Thông số: Cài đặt dữ liệu phần thông số Thông số cài đặt cho chế độ dải công suất  Mức van turbine 1  Mức van turbine 2  Kiểm soát tự động chiều cao thanh  Tính toán hệ số phản ứng  Hệ số nhiên liệu phản ứng  Hệ số làm mát phản ứng  Bo axit phản ứng giá trị  Nồng độ axit bo
  50. 50.  Tổng trì hoãn phần neutron  Thời gian thế hệ neutron  Điều khiển: thời gian hội nhập  Điều khiển: giới hạn dưới  Điều khiển: giới hạn trên 3.5 Đồ thị: Cài đặt các thông số của phần đồ thị. Chọn tối đa 7 thông số hy vọng sẽ được vẽ theo thời gian và thiết lập giới hạn - Lò phản ứng điện hạt nhân - Áp lực trong lò tạo áp - Áp suất hơi sạch - Nhiệt độ nơi tiêu thụ nước làm mát - Vị trí của van turbine - Kiểm soát chiều cao hai thanh điều khiển - Mực nước tạo áp  Nhiệt độ nước làm mát đầu vào  Nồng độ axit bo  Phản ứng  Tốc độ dòng chảy nước làm mát
  51. 51. 3.6 Hoàn thành xong thông số cài đặt. 3.7 Thư mục thông tin của phần mềm.

×