Luận văn Thiết kế nhà máy điện nguyên tử

LỜI CẢM ƠN ☼☼☼☼☼ Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trường đại hoc Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh và Bộ Môn Hệ Thống Điện đã tận tình giảng dây cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình đã động viên và hỗ trợ em trong khoảng thời gian thực hiện luận văn . Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Phan Tú đã tận tình hướng dẫn và cung cấp kiến thức cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. TÓM TẮT LUẬN VĂN PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ CHƯƠNG 4 : CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MÁY BIẾN ÁP CHƯƠNG 6 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN CHƯƠNG 7 : SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN CHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MỤC LỤC Đề mục Trang Nhiệm vụ luận văn ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục v LỜI MỞ ĐẦU 1 PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI 2 1. Sự gia tăng dân số và nhu cầu năng lượng 2 2. Nhu cầu sử dụng năng lượng 3 II. Những giải pháp được đưa ra 6 1. Các nguồn năng lượng tái tạo 6 2. Năng lượng hạt nhân , một giải pháp tốt ? 8 CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ 10 I. Lịch sử hình thành hạt nhân nguyên tử 10 1. Henri Becquerel và những khám phá ban đều về các bức xạ 10 2. Phóng xã Polonium và nhà khoa học nữ Marie Curie 10 3. Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thoronium X 11 4. Lý thuyết nguyên tử Bohr 13 5. Sự phân hạch tâm 14 II. Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử 15 1. Cấu tạo hạt nhân nguyê tử 15 2. Lực hạt nhân 17 3. Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân 17 4. Các loại phản ứng hạt nhân 18 5. Tại sao chọn notron là hạt bắn phá hạt nhân 19 6. Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng 20 7. Năng lượng chuyển đổi 22 8. Tia phóng xạ 25 CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ 28 I. Tình hình phát triển điện nguyên tử thế giới 27 II. Tổng quan về nhà máy điện nguyên tử 32 III. Nguyên liệu hạt nhân 33 1. Quá trình chuẩn bị nhiên liệu 34 2. Chu trình nhiên liệu 35 IV. Lò phản ứng 36 1. Nguyên tắc hoạt động 36 2. Các thành phần của lò phản ứng 38 3. Các thế hệ lò phản ứng 42 CHƯƠNG 4 : CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM 53 I. Mở đầu 53 II. Dự báo nhu cầu năng lượng 53 III. Phát triển năng lượng hạt nhân ở Việt Nam 54 1. Sự cần thiết phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam 54 2. Phát triển điện hạt nhân là khả thi đối với Việt Nam 55 3. Xây dựng chương trình dài hạn và phát triển hạt nhân 56 4.6 Chọn thiết bị bảo vệ MBA 62 PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ 60 CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI 61 I. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 220kV 62 II. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 110kV 63 III. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 22kV 63 IV. Đồ thị phụ tải phát về hệ thống 64 V. Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy 65 VI. Tổng hợp đồ thị phụ tải của nhà máy điện 66 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN 68 I. Chọn số lượng và công suất tổ máy phát 68 II. Sơ đồ nối điện chính của nhà máy 68 1. Các yêu cầu đặt ra khi chọn sơ đồ cấu trúc 69 2. Các phương án nối điện chính 70 3. Thiết lập chế độ vận hành các tổ máy 72 CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 73 I. Chọn máy biến áp cho phương án 1 73 1. Chọn máy biến áp T1,T2 và T3 73 2. Chọn máy biến áp T6 74 3. Chọn máy biến áp T4 và T5 74 II. Chọn máy biến áp cho phương án 2 79 1. Chọn máy biến áp T6 80 2. Chọn máy biến áp T5 80 3. Chọn máy biến áp T1 và T2 80 4. Chọn máy biến áp T3 và T4 81 CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 82 I. Các giá trị tính toán ngắn mạch 82 1. Chọn các đại lượng cơ bản 82 2. Tính các giá trị điện kháng trong hệ đơn vị tương đối 82 II. Tính toán ngắn mạch cho phương án 1 84 1. Tính toán ngắn mạch tại điểm N1 86 2. Tính toán ngắn mạch tại điểm N2 88 3. Tính toán ngắn mạch tại điểm N3 89 4. Tính toán ngắn mạch tại điểm N4 89 5. Tính toán ngắn mạch tại điểm N5 91 III. Tính toán ngắn mạch cho phương án 2 92 1. Tính toán ngắn mạch tại điểm N1 94 2. Tính toán ngắn mạch tại điểm N2 95 3. Tính toán ngắn mạch tại điểm N3 96 4. Tính toán ngắn mạch tại điểm N4 97 5. Tính toán ngắn mạch tại điểm N5 98 6. Tính toán ngắn mạch tại điểm N6 99 CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MÁY BIẾN ÁP 101 I. Tính toán tổn thất cho phương án 1 101 1. Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T1,T2,T3 và T6 101 2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T4 và T5 102 II. Tính toán tổn thất cho phương án 2 104 1. Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T1,T2,T5 và T6 104 2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T4 và T3 105 CHƯƠNG 6 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN 107 I. Chọn khí cụ điện chính cho phương án 1 108 1. Cấp điện áp 220kV 108 2. Cấp điện áp 110kV 110 3. Cấp điện áp 22kV 112 4. Chọn khí cụ điện đầu cực máy phát 113 II. Chọn khí cụ điện chính cho phương án 2 114 1. Cấp điện áp 220kV 114 2. Cấp điện áp 110kV 117 3. Cấp điện áp 22kV 119 4. Chọn khí cụ điện đầu cực máy phát 120 CHƯƠNG 7 : SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN 121 CHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 123 I. Tính toán kinh tế-kỹ thuật giữa các phương án 122 II. Tổng kết các thiết bị chính 2 phương án 122 III. Tính toán kinh tế cho phương án 1 123 III. Tính toán kinh tế cho phương án 2 124 V. So sánh hai phương án về mặt kinh tế 125 CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN 126 I. Chọn thanh dẫn cho đầu cực máy phát 126 1. Chọn tiết diện thanh dẫn theo dòng điện cho phép 126 2. Kiểm tra điều kiện ổn định khi ngắn mạch 127 3. Kiểm tra ổn định lực động điện khi ngắn mạch 127 4. Chọn sứ đỡ cho thanh dẫn 129 II. Chọn dây dẫn 130 1. Chọn dây dẫn cấp điện áp 220kV 130 2. Chọn dây dẫn cấp điện áp 110kV 133 3. Chọn dây dẫn cấp điện áp 22kV 136 III. Chọn máy biến điện áp BU 138 1. Chọn máy biến điện áp cấp 10.5kV 138 2. Chọn máy biến điện áp cấp 22kV 140 3. Chọn máy biến điện áp cấp 110kV 141 4. Chọn máy biến điện áp cấp 220kV 143 IV. Chọn máy biến dòng BI 144 1. Chọn máy biến dòng cấp 10.5kV 144 2. Chọn máy biến dòng cấp 22kV 145 3. Chọn máy biến dòng cấp 110kV 147 4. Chọn máy biến dòng cấp 220kV 148 CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 150 I. Chọn sơ đồ tự dùng cho nhà máy 150 II. Chọn máy biến áp tự dùng 150 1. Máy biến áp tự dùng chính (10.5/6kV) 151 2. Máy biến áp tự dùng cấp 2 (6/0.4kV) 151 3. Máy biến áp dự phòng cấp 6kV 152 4. Máy biến áp dự phòng cấp 0.4kV 154 III. Chọn khí cụ điện cho mạch tự dùng 154 1. Chọn máy cắt hợp bộ cấp 6kV 154 2. Chọn Aptomat cho cấp điện áp 0.4kV 158 3. Chọn cáp đến cuộn cao máy biến áp dự phòng cấp 1 160 4. Chọn cáp cho cấp điện áp 6Kv 161 5. Chọn dây dẫn cho cấp điện áp 0.4kV 161 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 162 TÀI LIỆU THAM KHẢO 163 LỜI MỞ ĐẦU TPHCM, ngày… tháng… năm 2010 Thực tế cho thấy ngành điện đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nền sản xuất đại công nghiệp tiên tiến. Ngành điện có mặt trong tất cả các lĩnh vực, từ sinh hoạt đời sống cho tới sản xuất hàng hoá . Vì thế, muốn phát triển nền kinh tế đất nước trước tiên phải ưu tiên đầu tư và phát triển hệ thống điện quốc gia – đó là điều kiện tiên quyết cho việc phát triển đất nước. Những năm gần đây nền công nghiệp nước ta phát triển một cách ồ ạt, đất nước mở cửa hội nhập với thế giới làm thu hút đầu tư bên ngoài ngày càng nhiều, nhiều nhà máy xí nghiệp được xây dựng và đi vào hoạt động, những nhà máy này cần cung cấp một lượng điện năng lớn, vì vậy yêu cầu đặt ra phải sản xuất thật nhiều điện năng để đáp ứng nhu cầu xã hội. Hiện tại nước ta chỉ có 2 loại nhà máy điện là nhiệt điện và thuỷ điện. Nhưng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng nhanh dẫn đến tình trạng thiếu điện trầm trọng vào mùa khô. Trước tình hình đó, Bộ Công Thương đã chỉ đạo tập đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) làm báo cáo đầu tư để xây dựng 2 nhà máy điện nguyên tử với tổng công suất 4000MW tại Ninh Thuận. Vì lý do đó, em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế nhà máy điện nguyên tử” nhằm mục đích tìm hiểu rõ hơn về nhà máy điện nguyên tử. Việc thiết kế một nhà máy điện là một việc hết sức phức tạp. Hơn nữa đây lại là một lĩnh vực mới tại Việt Nam nên em chỉ có thể tìm hiểu tổng quan về nhà máy điện nguyên tử và thiết kế cho phần điện trong nhà máy. Do kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Sinh viên Đặng Minh Khánh PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI Sự gia tăng dân số và nhu cầu sử dụng năng lượng Sự gia tăng dân số Theo báo cáo của Liên Hợp Quốc vào năm 2009, dân số trên trái đất khoảng 6,777 tỉ người ( theo Wikipedia). Dân số thế giới hiện tăng xấp xỉ 74 triệu người mỗi năm. Nếu tỷ suất sinh hiện nay tiếp diễn, năm 2050 tổng dân số thế giới sẽ là 11 tỷ người, với 169 triệu người tăng thêm mỗi năm. Tuy nhiên, tỷ suất sinh đã giảm trong nhiều thập kỷ, và các con số cập nhật của Liên hiệp quốc dự đoán dân số thế giới sẽ đạt 9.2 tỷ người khoảng năm 2050. Đây là con số trung bình với giả thiết mức giảm tỷ suất sinh từ 2.5 xuống còn 2. Hình 1.1:Biểu đồ về tốc độ tăng trưởng dân số thế giới Dân số và kinh tế thế giới và kinh tế thế giới ngày càng phát triển , đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng . Trong khi đó những nguồn năng lượng hoá thạch( dầu mỏ , khí tự nhiên , than đá …) mà con người sử dụng đang ngày càng cạn kiệt và gây ra những hậu quả không nhỏ đối với môi trường . Nhu cầu sử dụng năng lượng Theo “triển vọng năng lượng quốc tế 2002” (IEO2002) tiêu thụ năng lượng thế giới dự báo trong khoảng thời gian 21 năm kể từ năm 1999 đến 2020 sẽ tăng 60%. Ngoài ra các chuyên gia cũng dự báo rằng tình hình năng lượng có thể tăng gấp 4 lần ở khu vực châu Á và Trung Nam Mỹ. Tiêu thụ dầu: Giá dầu tăng ảnh hưởng lớn đến vật giá trong đời sống của mỗi con người chúng ta. Điều này chứng tỏ dầu vẫn đang là nguồn năng lượng sơ cấp cần thiết của chủ yếu của thế giới và dự báo nó sẽ còn giữ vị trí này trong suốt khoảng thời gian 1999-2020. Theo ước lượng, thế giới tăng khoảng 2.2% từ 75 triệu thùng/ngày (năm 1999) lên 199 triệu thùng/ngày (năm2020). Mặc dù các nước công nghiệp hóa vẫn là những nước tiêu thụ dầu hơn so với các nước đang phát triển nhưng theo tốc độ phát triển hiện tại thì khoảng cách này đang thu hẹp khá nhanh. Năm 1999 các nước đang phát triển tiêu thụ 58% nhưng đến năm 2020 dự báo tới 90%. Người ta cho rằng các mỏ dầu còn có thể khai thác trong 40 năm nữa. Điều này cho thấy rằng giá dầu trong tương lai có giá leo thang. Và như chúng ta được biết thì 2/3 mỏ dầu nằm ở khu vực Trung Đông là khu vực vốn không ổn định về kinh tế chính trị. Khí tự nhiên: Khí tự nhiên được dự báo là nguồn năng lượng có tốc độ tăng trưởng khá nhanh và đã vượt sản lượng than vào năm 1999, tương lai sẽ qua mặt sản lượng tiêu thụ than đến 38% trong năm 2020. Tổng tiêu thụ khí tự nhiên đạt được 23% trong năm 1999 và tăng 29% trong năm 2020. Trong thế giới đang phát triển việc gia tăng khí tự nhiên có tốc độ cao nhất, với tốc độ trung bình trong suốt thời kỳ dự báo là 5.3% nhằm phục vụ nhu cầu phát điện và phát triển công nghiệp. Tài nguyên khí tự nhiên so với tài nguyên dầu thì nó có tính chất thuần khiết hơn, cho phép đốt cháy hoàn toàn và linh hoạt trong việc sử dụng hơn, đồng thời thời gian sử dụng cũng lâu hơn. Ngày nay các chuyên gia của chúng ta dự đoán còn khoảng 60 năm nữa cho việc khai thác khí tự nhiên này. Trên thực tế thì 70% năng lượng này phụ thuộc vào Liên Xô cũ và khu vực bất ổn Trung Đông. Tiêu thụ than: Than được sử dụng 65% cho việc tiêu thụ điện trên thế giới . Theo tình hình chung sản lượng này tăng một cách chậm chạp với tốc độ trung bình 1.7% năm. Trong thời gian dự báo, 22% sản lượng than cho năm 1999 và đến năm 2020 chỉ còn 20%. Tuy nhiên, trữ lượng than vẫn còn sử dụng nhiều ở thị trường Trung Quốc, Ấn Độ . Chúng ta còn 230 năm nữa cho việc khai thác các hầm mỏ than. Sở dĩ việc khai thác than không được đẩy mạnh là do việc tiêu thụ than gây ra bụi, khí độc hại, và khí thải của nó chiếm một lượng rất lớn điều này đã ngăn cản năng lượng than trong tương lai. Sau đây các biểu đồ thống kê về tình hình sử dụng năng lượng trên các lĩnh vực: công nghiêp, sinh hoạt và giao thông. Trong đó dầu mỏ chiếm tỷ trọng lớn nhất. Hình 1.2: Nhu cầu nănglượng cho công nghiệp Hình 1.3: Nhu cầu năng lượng cho sinh hoạt Hình 1.4: Nhu cầu năng lượng cho giao thông Nhưng nguồn năng lượng hóa thạch này không phải là vô tận. Với tốc độ khai thác như hiện nay thì lượng dầu mỏ trên thế giới sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 năm nữa. Sự khan hiếm đã làm cho giá dầu mỏ ngày càng tăng. Hình 1.5: Giá dầu khí ngày càng tăng Những giải pháp được đưa ra Các nguồn năng lượng tái tạo (Renewable energy) Trước sức ép của cuộc khủng hoảng năng lượng. Con người đã và đang liên tục tìm kiếm những nguồn năng lượng để thay thế cho năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt: • Photovoltaics (PV) : Tạo ra từ những tấm pin quang điện. • Concentrating solar power (một dạng của năng lượng mặt trời) • Geothermal (địa nhiệt ) • Hydro power (thủy điện) • Wind power (năng lượng gió) • Biomass • Ocean energy (năng lượng thủy triều) Đây là những nguồn năng lượng sạch và hết sức thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, giá thành sản xuất còn quá cao, do chi phí để nghiên cứu và lắp đặt khá tốn kém, khó có thể chấp nhận được, nhất là ở những nước đang phát triển. Hình 1.6: Giá điện sản xuất từ các loại năng lượng Một vấn đề khác nữa là liệu công suất của những nguồn năng lượng này tạo ra có đủ đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của con người hay không? (1 tep = 11.6MWh) Hình 1.7: Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trong tương lai Ta thấy tỷ trọng của năng lượng tái tạo là rất nhỏ so với các nguồn năng lượng khác. Mặt khác, dựa vào biểu đồ trên ta thấy là vào khoảng năm 2050 thì nguồn năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, khí đốt… sẽ cạn kiệt và dẫn đến thiếu hụt công suất điện năng là khoảng 2.5Gtep. Vậy chúng ta lấy ở đâu ra để bù đắp cho những thiếu hụt này? Và giải pháp được đưa ra là năng lượng nguyên tử (Nuclear Power). Đây có phải là một giải pháp tốt? Năng lượng hạt nhân (Nuclear Power), một giải pháp tốt? Trước hết ta xét đến những mặt tích cực của nguồn năng lượng này: Tương quan về mặt năng lượng khi đốt 1kg nhiên liệu: Gỗ 1 KWh Than 3 KWh Dầu 4 KWh Uranium 50.000 KWh Plutonium 6.000.000 KWh Không thải ra khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính (greenhouse) Lượng khí hoặc chất thải ra môi trường đã được xử lý an toàn với công nghệ hiện nay. Số lượng uranium còn rất lớn (5 tỷ tấn dưới lòng đại dương) so sánh với công suất mà 1 kg uranium mang lại thì ta thấy đây là một nguồn năng lượng dồi dào. b) Ngoài những mặt ưu việt như trên, thì việc sử dụng năng lượng hạt nhân cũng còn nhiều vấn đề bất cập sau: Sử dụng hạt nhân trong lĩnh vực quân sự, nguyên nhân gây mất hòa bình trên toàn thế giới Những rủi ro xảy ra trong quá trình vận chuyển. Hậu quả của những sự cố khi vận hành nhà máy điện hạt nhân là rất lớn, và để lại hậu quả cho nhiều thế hệ sau này. Nhưng với việc đang phát triển thế hệ nhà máy hạt nhân thứ 4 (generation IV) thì những rủi ro đã được hạn chế đến mức tối đa, xác suất để xảy ra những rủi ro là rất thấp. è Tuy năng lượng hạt nhân vẫn còn một số bất cập cần được giải quyết như đã nêu trên, nhưng đây có lẽ là một nguồn năng lượng không thể thiếu trong thế kỉ 21. CHƯƠNG 2 : SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ Lịch sử hình thành hạt nhân nguyên tử Henri Becquerel và những khám phá ban đầu về các bức xạ của nguyên tố Uranium Henri Becquerel một giáo sư vật lý tại Viện Bảo Tàng Lịch Sử Thiên Nhiên Henri Becquerel cũng là một nhà vật lý thuộc Hàn Lâm Viện Khoa Học. Becquerel nhận thấy tia X đã làm sáng màn huỳnh quang trong khi đó, trạng thái huỳnh quang đã được cha của ông khảo cứu kỹ càng. Becquerel liền chú ý tới khám phá của Roentgen. Becquerel thấy rằng những chất chứa Uranium và ngay cả các hợp chất có Uranium mà không có tính chất huỳnh quang, đều có thể phát ra các tia bức xạ trong khi các hợp chất khác chứa Calcium hay Kẽm chẳng hạn lại không có tính chất trên. Sau nhiều thí nghiệm, Becquerel đi tới kết luận chất Uranium là nguyên nhân khiến các bản thu ảnh bị tác dụng và ông đã nghĩ tới việc thí nghiệm bằng Uranium nguyên chất nhưng cho tới thời bấy giờ, chưa có thứ kim loại này. Ông đành chờ đợi. Như vậy Becquerel đã khám phá ra tính chất của một thứ kim loại mới có khả năng phát ra các tia bức xạ. Nhưng các điều khám phá của Roentgen và Becquerel chưa khiến cho các nhà bác học đương thời lưu ý. Những điều tìm thấy đó bị bỏ quên trong một năm rưỡi, cho tới cuối năm 1897, mới được Marie Curie để tâm đến. Phóng xạ Polonium của nhà khoa học nữ Marie Curie Marie Curie - đang theo đuổi luận án tiến sĩ - bắt đầu cuộc tìm kiếm và sau rất nhiều lần thử với vô số vật chất, bà đã để tâm tới chất pechblende. Pechblende là một khoáng chất chứa Uranium kết tinh. Marie Curie đã ngạc nhiên thấy pechblende cho các tia bức xạ mạnh hơn các tia của kim loại Uranium nguyên chất. Nếu vậy trong pechblende phải có một nguyên tố nào chưa biết, có đặc tính phát ra các tia đâm thâu, vì vậy phải tìm ra chất đó. Hình 2.1: Nhà khoa học Marie Curie Vào cuối năm 1898, ông bà Curie công bố việc khám phá ra một chất mới thứ hai: chất Radium. Ngày 26/12/1898, Becquerel trình bày sự khám phá ra chất Radium của ông bà Curie trước Hàn Lâm Viện Khoa Học Pháp. Như vậy giới khoa học đã biết tới 3 chất phóng xạ. Chất thứ tư là Thorium được khảo sát do R. B. Owens, Giáo Sư thuộc Đại Học McGill tại Montreal, Canada. Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thorium X Rutherford sinh trưởng tại Tân Tây Lan. Ngay từ nhỏ, ông đã nổi danh là một thần đồng. Khi còn theo học tại trường trung học Nelson, Rutherford rất giỏi về Toán, Lý, Hóa, Sử, La Tinh, Pháp Văn và Văn Chương Anh. Ông đã đỗ đạt rất sớm với hạng rất cao. Cuối năm 1825, Rutherford được gửi theo học tại Đại Học Cambridge. Thời bấy giờ giám đốc phòng thí nghiệm Cavendish là nhà bác học J. J. Thomson nhận thấy Rutherford là người có tài, nên nhận Rutherford làm phụ tá. Thomson và Rutherford cùng nghiên cứu về tia X và sự Ion hóa các chất khí trong hơn một năm trường. Hình 2.2: nhà khoa học Ernest Rutherford Vào mùa hè năm 1900, Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn nghi ngờ với tên gọi là Thorium X. Rutherford khảo sát sự ion hóa và thấy rằng Uranium phát ra hai loại tia mà ông đặt tên là tia alpha và tia bêta. Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi của trường Đại Học McGill là Arthur Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng như Uranium chỉ cho tia α trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia β.  Thập niên 1900, Rutherford và Soddy đều đã khuyến cáo rằng khí Hélium có thể là một nguyên tố do từ sự biến dịch của các chất Uranium và Radium. Vì thế từ mùa xuân năm 1903, Rutherford tìm cách lấy khí Hélium từ chất Radium trong khi Soddy lại nghĩ tới việc tạo ra Radium từ Uranium. Năm 1907, Geiger và Rutherford đã dùng lại phát minh của John S. Towsend, một người bạn cũ của Rutherford tại Cambridge và bổ túc bằng những ý kiến của nhà toán học trẻ tuổi Paul J. Kirby. Hai nhà bác học kể trên đã hoàn thành một máy đếm nhờ đó người ta đếm được các hạt điện tử. Vào mùa hè năm 1908, Rutherford và Geiger còn suy ra rằng hạt điện tử alpha giống hệt như nguyên tử Hélium (Rutherford được trao Giải Thưởng Nobel 1908 về Hóa Học). Từ đầu năm 1909, với sự phụ tá của Geiger và Ernest Marsden, một sinh viên trẻ tuổi, Rutherford vẫn tiếp tục nghiên cứu về các chất phóng xạ để rồi tới tháng 5 năm 1911, ông cho phổ biến trên tạp chí The Philosophical Magazine ý tưởng về một kiểu mẫu nguyên tử. Nguyên tử khi đó được quan niệm là một khoảng trống không, bên ngoài có các điện tử di chuyển chung quanh một tâm phân tán theo một điện trường có cường độ giảm theo bình phương khoảng cách. Tâm phân tán này rất nhỏ, có điện dương và khối lượng tương đối rất lớn. Lý thuyết nguyên tử của Rutherford giống như thái dương hệ, đã cho phép cắt nghĩa được nhiều hiện tượng nhưng một trở ngại được nêu lên. Nếu có các điện tử xoay quanh nhân, thì chắc hẳn phải có sự phát ra ánh sáng và do đó, sinh ra sự co lại của các quỹ đạo khiến cho các điện tử sẽ bị rơi vào nhân trong khi theo sự nhận xét, điều này đã không xảy ra. Tới mùa xuân năm 1912, tất cả khoa học gia tại Manchester đều công nhận kiểu mẫu nguyên tử của Rutherford. Lý thuyết nguyên tử Bohr Hình 2.3: nhà khoa học Niels Bohr Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân. Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng lượng của chúng không bị thay đổi. Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị dời chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần nhẩy vọt từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử (quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa quỹ đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận. Như vậy ánh sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi. Sự phân hạch tâm Năm 1938, các nhà khoa học khám phá thấy rằng nếu dùng trung hòa tử để bắn vào nhân nguyên tử Uranium, nhân này sẽ bị tách ra làm hai đồng thời phát ra một năng lượng cực lớn. Trong chuyến du hành qua Hoa Kỳ, đã bàn luận về năng lượng của nguyên tử với Albert Einstein và với nhiều nhà bác học khác trong đó có cả Enrico Fermi, khi đó đang làm việc tại trường Đại Học Columbia. Thời bấy giờ chưa có nhà bác học nào biết rằng giữa hai chất Uranium 238 và Uranium 235 với lượng rất ít, chất Uranium nào đã bị phân hạch tâm để phát ra năng lượng lớn. Bohr đã cùng Tiến Sĩ John A. Wheeler nghiên cứu vấn đề này và trong vài ngày, đã đi đến kết luận rằng chỉ có chất Uranium 235 bị chia tách. Năm 1934, nhà vật lý Hoa Kỳ gốc Ý Enrico Fermi đã thực hiện được việc phân hạch tâm nhưng phản ứng này chưa được công nhận cho đến năm 1939, khi các nhà khoa học Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann công bố rằng họ đã tách được nhân Uranium do bắn bằng nơtron. Các phản ứng hạt nhân có các ích lợi thực tế gồm việc phân chia một nhân nặng thành các nhân nhẹ, gọi là “phân hạch tâm” và việc phối hợp hai nhân nhẹ thành một nhân nặng, gọi là “hợp hạch tâm”. Cho đến nay, về cơ bản người ta vẫn sử dụng mẫu Bohr và gọi nó là mẫu hành tinh nguyên tử. Từ đó mở ra một nghành vật lý hoàn toàn mới là ngành cơ học lượng tử. Đối tượng nguyên cứu của nó là các nguyên tử, hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản. Cùng với cơ học lượng tử, lý thuyết tương đối do nhà bác học vĩ đại người Đức Albert Einstien (1897-1955) đưa ra từ năm 1905 đến năm 1916 là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết các hạt cơ bản. Với công thức liên hệ giữa khối lượng vật chất và năng lượng tương đương chứa trong khối chất này: E = mc2 Albert Einstein xứng đáng được mệnh danh là “Cha đẻ của ngành năng lượng nguyên tử”. Hình 2.4 : Nhà khoa học Albert Einstein Đầu các năm 30 của thế kỷ XX cùng với nhiều máy móc trong lĩnh vực vô tuyến, phổ kế ra đời đã tạo điều kiện cho vật lý có những phát minh có tính quyết định trong ngành hạt nhân nói chung và công nghệ hạt nhân nói riêng. Người ta phát hiện ra các hiện tượng phân rã hạt nhân, phát hiện tính phóng xạ tự nhiên của nhiều nguyên tố, người ta tiến hành nghiên cứu được nhiều phản ứng hạt nhân trong đó có hai loại phản ứng hết sức quan trọng là phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, tạo ra một ngành công nghệ mới mẻ sản xuất năng lượng phục vụ con người, chỉ ra được hướng giải quyết căn bản bài toán năng lượng cho loài người. Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử: Cấu tạo hạt nhân nguyên tử: Sau rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học về mẫu hành tinh nguyên tử, ta có thể tưởng tượng được thành phần của một nguyên tử bao gồm: vỏ ngoài được cấu tạo bởi các electron (điện tử) mang điện tích âm có khối lượng me = 9.1095 x 10-31 kg. Hạt nhân bên trong chứa nuclon là tên gọi chung của proton và nơtron với khối lượng mp =1.6724 x 10-27 kg, mn = 1.6748 x 10-27 kg. Thể tích của hạt nhân chỉ khoảng 10-14 thể tích nguyên tử nhưng do khối lượng electron rất nhỏ nên khối lượng chủ yếu tập trung chủ yếu tại hạt nhân. Hình 2.5: mô hình nguyên tử Ký hiệu hóa học của nguyên tử hoặc NX Z Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong hệ thống tuần hoàn. N là ký hiệu số nơtron của nguyên tử. Do đó tổng số nuclon của nguyên tử hay còn được gọi là số khối được ký hiệu là: A = Z + N. Đồng vị của các nguyên tố: Các nguyên tử có cùng một nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác nhau được gọi là đồng vị. Có nghĩa là có cùng số proton Z nhưng lại khác số nơtron N. Ví dụ : carbon có 3 đồng vị , , Còn đồng vị phóng xạ là đồng vị không bền vững của các nguyên tố có tính phóng xạ. Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phóng xạ tự nhiên nằm trong các họ phóng xạ mà các đồng vị khởi đầu là các hạt nhân U235, U238, Th232 và Np237 có chu kỳ bán phân rã hay gọi là chu kỳ bán rã rất lớn và tận cùng bằng các Pb207, Pb206, Pb209 và Bi209. Lực hạt nhân: Các hạt nuclon hình thành được là do có lực liên kết giữ các hạt proton và nơtron. Theo nghiên cứu thì các nuclon này tác dụng với nhau bằng hai lực chính: lực đẩy tĩnh điện culong giữa các proton với nhau và lực đẩy rất mạnh giữa các nuclon là lực hạt nhân. Một số tính chất của lực hạt nhân: Phân biệt các lực trong hạt nhân nguyên tử thành hai loại: lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích: lực này giữa hai nơtron, giữa hai proton hay giữa nơtron và proton là như nhau. Lực hạt nhân có tác dụng tầm ngắn: lực này chỉ tồn tại khi các nuclon ở rất gần nhau khoảng 10-14m. Trong hạt nhân proton chịu tác dụng lực hút mạnh hơn lực đẩy. Lực hạt nhân có tính chất bão hòa: một nuclon chỉ tương tác với một số hữu hạn các nuclon khác nằm ngay sát nó. Lực hạt nhân phụ thuộc spin (momen động lượng) của các nuclon: lực hạt nhân phụ thuộc sự định hướng của các spin nuclon. Lực hạt nhân không phải là lực xuyên tâm mà là lực trao đổi: tương tác giữa hai nuclon được thực hiện với nhau bằng các trao đổi hạt mezon π. Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân: Công thức nổi tiếng của Einstein năng lượng E = mc2 chứng tỏ rằng khối lượng có liên quan đến năng lượng nên đôi khi ta thấy biểu diễn đơn vị của khối lượng là eV. Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của các nuclon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó. Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng ∆m: ∆m = [Zmp + (A – Z)mp] – M (2.1) Với M: khối lượng hạt nhân mới hình thành. Khi các nuclon kết hợp lại thành một hạt nhân, nó cần có năng lượng để kết dính các nuclon. Năng lượng này gọi là năng lượng liên kết. Để tạo ra năng lượng liên kết một phần khối lượng của các nuclon thành phần tham gia kết dính sẽ phải mất đi dưới dạng năng lượng. Vậy năng lượng liên kết có thể tính như sau: ∆E = ∆m.c2 = {[Zmp + (A – Z)mp] – M}.c2 (2.2) Ngược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclon thành phần, ta phải cung cấp một năng lượng E đúng bằng năng lượng liên kết. Để so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng đối với một nuclon và ta gọi nó là năng lượng liên kết riêng: (2.3) Nếu năng lượng liên kết riêng càng lớn thì năng lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân càng cao, vì thế hạt nhân đó được gọi là hạt nhân bền. Còn lực liên kết nhỏ hạt nhân được gọi là hạt nhân không bền. Các loại phản ứng hạt nhân: Hiện tượng một hạt nhân nhẹ phản ứng với một hạt nhân nặng làm hạt nhân nặng tách thành hai mảnh hay nhiều hơn, sau phản ứng sinh ra một năng lượng rất lớn được gọi là hiện tượng phân hạch hạt nhân. Ví dụ: Năng lượng liên kết đối với mỗi nuclon trong một hạt nhân A=240 có thể tăng gần 1MeV nếu nó được tách thành 2 mảnh có A = 120 Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng mà hai hạt nhân nhẹ phản ứng với nhau tạo ra hạt nhân nặng hơn và trong phản ứng phải kèm theo điều kiện là ở nhiệt độ rất cao (hàng chục triệu độ). Ví dụ: Khi ta đưa 2 hạt nhân đơtêri 1H2 lại gần nhau để tạo thành hạt nhân 2He4 thì năng lượng liên kết tăng 6MeV trong mỗi nuclon. ở đây ta đề cập đến hiện tượng phân hạch vì năng lượng do hiện tượng phân hạch hạt nhân đã đem lại cho con người một nguồn năng lượng mới rất quan trọng. Trong quá trình tính toán ta thấy rằng năng lượng hạt nhân không bị ảnh hưởng nhiều nếu có sự chênh lệch về khối lượng giữa hai mảnh vỡ trong phản ứng phân hạch hạt nhân (2.4) Năng lượng giải phóng lúc đó sẽ là: (2.5) Tại sao chọn nơtron là hạt bắn phá hạt nhân: Thế năng tương hỗ giữa hai mảnh phân hạch luôn bị một rào thế ngăn cản nhưng chỉ cần một năng lượng tương đối nhỏ là có thể phá bỏ rào thế gây nên quá trình phân hạch. Chỉ cần thêm cho hạt nhân một năng lượng là hạt nhân có thể vượt qua rào thế để phân hạch bằng cách cho một hạt có năng lượng lớn va chạm vào hạt nhân nặng. Hạt nhân tích điện dương nên nếu dùng một hạt mang điện tích dương sẽ không thích hợp vì còn phải tốn năng lượng để thắng lực đẩy Culong. Như vậy ta phải dùng hạt trung hòa hoặc hạt có điện tích âm. Dùng electron không có lợi vì hạt này chỉ tương tác chủ yếu với các electron bao quanh hạt nhân và tương tác rất ít với chính hạt nhân. Do đó lựa chọn tốt nhất là hạt nơtron. Nó là hạt trung hòa nên không có vấn đề phải thắng lực Culong, nơtron lại không tương tác với electron cho nên nó đi xuyên qua đám mây electron của nguyên tử một cách dễ dàng, hơn nữa ở các khoảng cách ngắn nó lại bị hút vào hạt nhân rất mạnh do lực hạt nhân giữa các nuclon gây ra. Dùng công thức sau có thể tính được năng lượng giải phóng khi một nơtron bị bắt: Sn = [M (A, Z) + mn – M (A+1, Z)]c2 (2.6) Nghiên cứu cho thấy rằng 92U235 phân hạch ngay cả khi nơtron bị bắt có động năng không đáng kể (nơtron chậm). Song 92U238 bắt nơtron mà không bị phân hạch, nó chỉ phân hạch khi nơtron có năng lượng cỡ 1 MeV (gọi là hiện tượng phân hạch nhờ có nơtron nhanh). Đối với hạt nhân 92U238 nơtron bị bắt sẽ giải phóng khoảng 6.4 MeV. Năng lượng này đủ để vượt qua rào cản lực Culong. Tuy nhiên, ở 92U238 nơtron bị bắt chỉ giải phóng 4.9 MeV mà để phân hạch lại cần một năng lượng lên đến 5.5 MeV. Để tiện cho việc tìm hiểu ta theo dõi bảng sau: Bảng 2.1: năng lượng bắt nơtron và năng lượng phân hạch Hạt nhân bia Hạt nhân phức hợp Năng lượng tỏa ra khi bắt nơtron Sn Năng lượng cần cho sự phân hạch, MeV U233 U234 6.6 4.6 U235 U236 6.4 5.3 U238 U239 4.9 5.5 Th232 Th233 5.1 6.5 Pa231 Pa232 5.4 5.0 Np237 Np238 5.0 4.2 Pu239 Pu240 6.4 4.0 Thông qua bảng trên ta có thể hiểu U235 được dùng làm nhiên liệu chính cho các lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nơtron nhiệt. Đặc điểm quan trọng làm cho quá trình phân hạch được sử dụng như một nguồn năng lượng là trong quá trình phân hạch còn phát ra một số nơtron (U235 phát ra trung bình 2.5 đối với mỗi phân hạch). Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng: Định nghĩa: phản ứng dây chuyền là phản ứng xảy ra trong một hệ mà trong đó các hạt sau khi gây ra phản ứng, lại xuất hiện trong kết quả của phản ứng, cho nên hạt mới vừa xuất hiện sau thời gian nào đó lại có thể gây ra phản ứng khác giống như phản ứng trước và vì vậy phản ứng do các hạt ban đầu gây ra lại được tiếp tục mãi. Trong chuyên đề này ta sẽ chỉ quan tâm tới các phản ứng dây chuyền sinh nhiệt, là phản ứng khi xảy ra có tỏa ra một năng lượng đủ lớn và do đó không cần phải có năng lượng bên ngoài được gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì. Phản ứng dây chuyền tự duy trì do nơtron gây ra. Sự phân hạch có thể xảy ra tự phát hoặc dưới tác dụng của nơtron. Thông thường hiện tượng phân hạch xảy ra với nơtron chiếm đa số. Phản ứng thường gặp trong lò phản ứng là: on1 + 92U235 → M + N + νn’ + năng lượng Sản phẩm cụ thể: on1 + 92U235 → 54Xe139 + 38Sr95 + 2 on1 on1 + 92U235 → 36Kr90 + 56Ba144 + 2 on1 Khi phân hạch khối lượng mảnh vỡ rất ít khi bằng nhau. Thí dụ khi bắn nơtron chậm vào nhân 92U235 thì nó sẽ vỡ ra thành hai mảnh M và N có khối lượng khác nhau và giải phóng từ hai đến ba nơtron như phản ứng trên ta thấy rằng M và N có hai khối lượng khác nhau. Hình 2.6: Đường cong xác suất của các mảnh vỡ Đường cong trên biểu diễn xác suất (%) của các mảnh vỡ với khối lượng khác nhau xuất hiện khi phân chia hạt nhân 92U235 đường cong đối xứng với cực tiểu nằm tại M =118 ≈ A/2. Từ đó có thể nhận xét được là xác suất để tách thành hai mảnh bằng nhau là nhỏ hơn hai mảnh có khối lượng khác nhau. Xác suất cực đại khi M = 90 và N = 140 phù hợp với phương trình cụ thể trên. Sau phản ứng tiếp tục được duy trì ví dụ với các sản phẩm: 36Kr90 → 37Rb90 → 38Sr90 → 39Y90 → 40Zr90 Trở lại với các nơtron, để có được nơtron ban đầu để gây ra phản ứng dây chuyền trên U235 ta phải dùng một phản ứng mồi để phát ra nơtron hay còn được gọi là hiện tượng phân rã hạt nhân, ký hiệu (γ, n) vì hạt tới là lượng tử γ của các chất phóng xạ tự nhiên (thí dụ nguyên tố radi 88Ra226) lên các nguyên tố dùng làm bia là berili và đơteri có thể xảy ra hai phản ứng sau: oγo + 4Be9 → 4Be8 + on1 oγo + 1H2 → 1H1 + on1 hai phản ứng này được dùng để bắt mồi cho phản ứng hoạt động. Điều kiện duy trì phản ứng: Để lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng thái phản ứng dây chuyền tự duy trì đòi hỏi phản có sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện sau phản ứng. Các nơtron mất đi phải bao gồm cả nơtron bị mất đi do bị bắt gây phản ứng phân hạch, nơtron hấp thụ các hạt nhân nguyên tố khác trong lò (vật liệu, chất tản nhiệt, chất làm chậm) và các nơtron rò ra khỏi lò. Các nghiên cứu cho thấy nơtron có năng lượng thấp cỡ vài eV có tiết diện phân hạch lớn hơn nhiều so với nơtron nhanh. Vì vậy mà chúng có thể duy trì phản ứng tốt hơn, thế nhưng sau khi phản ứng phân hạch đầu tiên thì sau phản ứng lại sinh ra các nơtron có năng lượng cao. Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng chất làm chậm để phản ứng có thể được duy trì. Quá trình đó được hiểu như sau: khi được sinh ra từ phản ứng các nơtron này va chạm đàn hồi (là va chạm sau đó truyền năng lượng cho nguyên tử đó) với các nguyên tử làm chậm. Chất này thường chọn là các nguyên tố nhẹ như: hydro, đơteri, berili và graphit vì khi va chạm với các nguyên tố nhẹ thì năng lượng được truyền nhiều hơn so với nguyên tố nặng. Trong lò cần thiết kế sao cho có thể điều khiển tới hạn khi lò cần hoạt động và dưới mức tới hạn khi cần ngừng lò. Năng lượng chuyển đổi on1 + 92U235 → M + N + νn’ + 200 MeV eV = 1.60 x 10-19 J) Năng lượng giải phóng từ mỗi phân hạch 165 MeV: Động năng của các sản phẩm phân hạch 7 MeV: Tia gamma 6 MeV: Động năng của nơtron. 7 MeV: Năng lượng từ các sản phẩm phân hạch. 6 MeV: Tia gamma từ các sản phẩm phân hạch 9 MeV: anti-nơtrino từ các sản phẩm phân hạch Hình 2.7: các thế hệ của phân hạch Nếu sau mỗi phân hạch sinh ra 2 nơtron thì trong 10 thế hệ có 1.024 phân hạch và trong 80 thế hệ sẽ có 6 x 10 23 phân hạch Năng lượng trong mỗi phân hạch uranium U235 Phân hạch của một nucleon tương đương giải phóng trung bình 200MeV (3.20 x 10-11) bao gồm sự phân chia được kết hợp từ neutron giữ và phá hủy của các mảnh phân hạch. Số lượng hạt nhân U235 trên một gram uranium bằng ωNA/M Trong đó ω: phân số của U235 trong khối lượng uranium, NA số Avogadro (NA = 6.022 x 1023) M là nguyên tử khối của U235 Vì vậy 1 kg uranium trong tự nhiên (ω = 0.00711) có 1.8822 x 1022 nucleon của U235 và sau quá trình phân hạch giải phóng được 5.8 x 1011 J. Năng lượng có trong một kg uranium, đối với những cấp độ làm giàu khác nhau theo bảng sau: Bảng 2.2: năng lượng thu được theo trong 1 kg uranium Loại Uranium Độ làm giàu ω (%) Năng lượng tính theo (J/kg) Năng lượng tính theo (GWd/t) Tấn / GWyr Uranium tự nhiên 0.711 5.84 x 1011 6.8 169 Uranium làm giàu 3.2 2.63 x 1012 30.4 38 Uranium làm giàu 3.5 2.87 x 1012 33.3 34 Uranium làm giàu 3.75 3.08 x 1012 35.6 32 Uranium làm giàu 5 4.10 x 1012 47.5 24 Uranium (U235) tinh kiết 100 8.21 x 1013 950 Không phải tất cả U235 được sử dụng hết trong lò phản ứng. Số lượng U235 chứa trên một MTHM(metric tone of heavy metal) là 37.5 kg trong nguyên liệu mới và 8.6kg đối với nguyên liệu đã sử dụng (chỉ tiêu thụ khoảng 77% của U235) Chỉ 14% phản ứng hấp thụ neutron nhiệt đối với U235 kết quả là hấp thụ nhiều hơn là phân hạch. Phân hạch của Pu239(và một phần ít Pu241) cung cấp một nguồn năng lượng đáng kể vào nguồn năng lượng. Chính điều này làm giảm yêu cầu của U235 trong việc phát năng lượng. Nơtron nhanh chỉ góp một phần nhỏ vào quá trình phân hạch của U238 Những điều trên sẽ gây ảnh hưởng lớn đến tất cả sự thay đổi số lượng xãy ra phân hạch, giảm số lượng phân hạch đối với U235 và thêm vào đó là sự phân hạch của đồng vị plutonium , thậm chí là U238. Kết quả tổng thể có thể được dự báo sơ bộ bằng việc so sánh độ giảm khối lượng kim loại tổng – nó đưa đến kết quả hầu hết những phần tử từ việc phân hạch của uranium và đồng vị của plutonium – từ khối U235 ban đầu. Tỷ lệ của của những số lượng này là 1.081, nhiều hơn 8.1% đối với trường hợp U235 phân hạch hoàn toàn. Khi áp dụng chính xác số 8.1% sẽ làm tăng năng lượng phát ra của U235 từ 35.6GWd/t lên một giá trị mới là 38.5 GWd/t. Dự báo này vẫn bỏ qua sự khác biệt đối với sản lượng năng lượng trong sự phân hạch và khối lượng nguyên tử giữ U235 và những Actini nặng hơn. Khoảng 40% những phân hạch là Pu239 và Pu241 mà không phải là U235. Chú ý thêm điều này sẽ tăng khoảng 0.6 GWd/t. Phát xạ tia Gamma trong sự hấp thụ nơtron trong nhóm actinide (Z = 89 – 103). Giá trị 40 GWd/t gần đúng với giá trị thu được từ lò LWR gần đây, mặc dù mức độ đốt nhiên liệu trung bình của lò PWR hiện nay cao hơn và tương lai lò này vẫn còn được mong đợi thu năng lượng cao hơn nữa. Việc đốt nhiên liệu lên đến hàng GWd/t có thể được chuyển đổi thành nhu cầu nhiên liệu mỗi năm. Chẳn hạn như, cho đốt cháy 40 GWd/t trong nhu cầu uranium tổng là 28.5 tấn mỗi GWyr hay 1.07 tấn của U235 độ làm giàu 3.75%. 1 tấn U235 → 1 GWyr Tia phóng xạ Các chất phóng xạ là các tia có khả năng tự phát ra các tia phóng xạ. Các tia phóng xạ có tính chất như sau: Có khả năng tác dụng sinh lý và hóa học như phân hủy tế bào, kích thích một số phản ứng hóa học… Có khả năng làm cho một số vật rắn và lỏng phát huỳnh quang. Có khả năng xuyên qua một số chất như gỗ, vải, giấy, miếng kim loại mỏng… Tỏa nhiệt, làm cho khối lượng chất phóng xạ giảm dần và làm cho chất đó biến thành chất khác. Bức xạ α: là dòng hạt nhân heli He24 tích điện dương, chuyển động với vận tốc 109 cm/s và bị một lớp nhân dầy vài micrô hấp thụ, dễ dàng bị chặn bởi một tờ giấy hoặc điện áp người. Bức xạ β: là dòng các electron tích điện âm, chuyển động với vận tốc gần bằng với tốc độ ánh sáng và bị một lớp nhôm dầy trung bình 1mm hấp thụ. Tia β có sức xuyên thấu mạnh hơn so với tia α nhưng có thể bị chặn lại bởi tấm kim loại hay tấm kính mỏng. Bức xạ γ: theo thực nghiệm thì bức xạ γ luôn đi kèm với bức xạ α và β. Bản thân γ có bức sóng ngắn và không bị lệch trong từ trường, điện trường và ngoài ra nó có khả năng xuyên thấu mạnh. Độ phân rã phóng xạ: Khi có sự phân rã thì mật độ hạt nhân sẽ giảm dần theo thời gian. Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của chất phóng xạ là N. Sau thời gian dt số hạt nhân của chất phóng xạ giảm đi một lượng -dN. -dN=λN dt (2.7) Với: λ là hằng số phân rã còn có ý nghĩa là xác suất chuyển trạng thái của hạt nhân để cho ra hạt nhân mới. Ta có công thức tính độ phân rã phóng xạ: H = λN0 e-λt = H0 e-λt (2.8) H0 = λN0 là độ phóng xạ tại thời điểm t = 0 Ngoài ra để phân biệt chu kỳ bán rã nhanh hay chậm người ta còn đưa ra một đại lượng gọi là chu kỳ phân rã T1/2 nghĩa là sau khoảng thời gian đó mật độ phân rã chỉ còn một nửa. (2.9) Nhìn chung các chất phóng xạ có chu kỳ phân rã rất khác nhau. Chẳn hạn như uranium có chu kỳ phân rã là 4.5 x 109 năm nghĩa là bán rã chậm nên vẫn tồn tại trên trái đất. Radium có chu kỳ bán rã là 10-6 s nên vừa sinh ra lập tức biến thành chất khác ngay. Còn Poloni lại có chu kỳ bán rã là 138 ngày. Quản lý nồng độ phóng xạ: Tại các nhà máy điện hạt nhân người ta quy định “ khu vực quản lý” để tiến hành việc quản lý tia phóng xạ nghiêm ngặt đối với nhân viên làm việc liên quan đến tia phóng xạ. Lượng tia phóng xạ mà các nhân viên phải nhận được đo đếm bằng các dụng cụ như liều kế nhiệt huỳnh quang và tấm phim. Bên cạnh đó lượng tia phóng xạ bên trong cũng được đo đếm bằng liều kế nhiệt toàn thân. Hơn nữa, để không mang chất phóng xạ ra bên ngoài thì các nhân viên này phải thay quần áo và giày chuyên dụng, khi ra ngoài phải kiểm tra xem có nhiễm phóng xạ hay không bằng máy phát hiện và đo phóng xạ. CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN NGUYÊN TỬ TRÊN THẾ GIỚI Hiện nay, các nhà máy điện hạt nhân có tổng công suất 363.135MW với sản lượng điện năm 2002 là 2.574 tỷ kWh, chiếm 16% tổng sản lượng điện toàn cầu. Tỷ lệ này được giữ ổn định trong suốt 20 năm qua, điều đó có nghĩa là mức tăng trưởng của nguồn điện nguyên tử có cùng nhịp độ với mức tăng trưởng tổng các nguồn điện khác. Phát triển điện nguyên tử tập trung chủ yếu ở các nước phát triển. Hơn 50% số lò tập trung ở Bắc Mỹ và Tây Âu, trong khi chỉ có 10% số lò tập trung ở các nước đang phát triển, nơi mà năng lượng sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ này. Hiện có 5 quốc gia dẫn đầu về sản lượng điện hạt nhân, đó là: Mỹ (780 tỷ kWh), Pháp (415 tỷ kWh), Nhật (313 tỷ kWh), Đức (162 tỷ kWh) và Nga (130 tỷ kWh). Một số quốc gia có tỉ trọng điện hạt nhân đặc biệt cao như Lithunia (80%), Pháp (78%), Slovakia (65%) và Bỉ (57%). Tổng số năm kinh nghiệm vận hành tích luỹ được đến nay của tất cả các lò trên thế giới đạt trên 11.000 năm. Theo dự báo, công suất điện hạt nhân sẽ tăng từ 363.000 MW vào năm 2004 lên tới 392.000 MW vào năm 2010 và sẽ lên tới 407.000MW vào năm 2015. Lượng gia tăng công suất này có tới 95% thuộc khu vực châu Á, trong đó, Trung Quốc: 19.000 MW, Hàn Quốc: 15.000 MW, Nhật Bản: 11.000 MW và Ấn Độ: 6.000 MW. Xét về nhu cầu và nhịp độ xây dựng mới các nhà máy điện hạt nhân thì có sự khác nhau ở các khu vực trên thế giới. Nếu nhu cầu và nhịp độ đó bị ngưng lại ở khu vực Tây Âu và Bắc Mỹ thì nó lại tiến triển mạnh ở khu vực Đông Âu, và đặc biệt là ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương. Khu vực Tây Âu năm 1980, sau sự cố Three Mile Island 1979 ở Mỹ, trên cơ sở trưng cầu dân ý, Quốc hội Thuỵ Điển đã quyết định sẽ ngừng các nhà máy điện hạt nhân vào năm 2010. Sau sự cố Chenobyl năm 1986, trước sức ép của công luận, nhiều nước Tây Âu như Đức, Ý, Tây Ban Nha, Thuỵ Sĩ, Bỉ, Hà Lan,… đã tuyên bố rút hoặc không tiếp tục phát triển điện hạt nhân nữa. Những nhà máy đang hoạt động sẽ được tiếp tục vận hành cho đến khi hết sử dụng. Ngược lại với xu hướng trên, hai quốc gia Pháp và Phần Lan vẫn tiếp tục duy trì, phát triển và xây dựng mới các nhà máy điện hạt nhân. Hiện nay, Tây Âu đang vận hành và khai thác 140 lò năng lượng hạt nhân với tổng công suất 122.480 MW và sản lượng điện 855 tỷ kWh, chiếm 35% tổng nhu cầu điện năng. Điện hạt nhân chiếm tỉ lệ cao nhất trong cơ cấu nguồn điện, tiếp theo là nhiệt điện than (29%) và nhiệt điện khí (15%). Khu vực Tây Âu là một trong những khu vực phát triển nhất thế giới, đã đạt đến độ chín mùi và hoàn thiện, do đó mức tăng trưởng nhu cầu điện năng hàng năm thấp. Theo IEO–2004, mức tăng trưởng nhu cầu điện năng trung bình hàng năm của Tây Âu trong 25 năm tới là 1,3%/năm. Để giải quyết vấn đề năng lượng, các nước Tây Âu hiện nay thực hiện chính sách mở cửa thị trường điện và đẩy mạnh sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió. Khu vực Đông Âu và Liên Xô cũ những năm gần đây, nền kinh tế của khu vực này đã phục hồi trở lại và điện hạt nhân vẫn được tiếp tục chú ý phát triển, đặc biệt tại Liên bang Nga, Ucraina, Hungari, Bungari và Séc. Công suất điện hạt nhân của Nga hiện nay là 21.000 MW, dự kiến, công suất này sẽ tăng lên tới 25.000 MW vào năm 2010 và 32.000 MW vào năm 2020. Để nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế, chủ yếu Nga sẽ dùng các cỗ máy hạt nhân thế hệ thứ ba. Ucraina sẽ tiếp tục hoàn thành hai lò đang xây dựng dở dang, không cần đến sự hỗ trợ tài chính của Ngân hàng tái thiết và phát triển châu Âu. Hungari sẽ kéo dài sử dụng 4 tổ máy hiện tại lên 40 năm thay vì 30 năm như dự kiến ban đầu. Bungari sẽ xây dựng thêm 2 lò mới loại 1.000 MW để bù lại các lò cũ phải đóng cửa. Khu vực Bắc Mỹ cũng như Tây Âu, Bắc Mỹ là khu vực phát triển đỉnh cao. Trong 25 năm tới, mức tăng trưởng nhu cầu điện năng trung bình hàng năm của Mỹ là 1,8%/năm và Canada là 1,6%/năm. Mặc dù mức gia tăng nhu cầu điện năng không cao, nhưng chính sách của Mỹ là tiếp tục ủng hộ mở rộng năng lượng hạt nhân, 19 lò đã được cấp phép kéo dài thời gian sử dụng thêm 20 năm nữa. Nhà máy điện hạt nhân Browns Fery mới xây dựng có kế hoạch đưa vào vận hành vào năm 2007. Dự báo, công suất điện hạt nhân của Mỹ năm 2005 là 102.600 MW. Chính sách của Canada là tiếp tục mở rộng công suất điện hạt nhân của mình, trước hết là tái khởi động lại các nhà máy tạm thời bị đóng cửa. Hiện tại, Canada có 17 lò đang hoạt động và đã lên kế hoạch đến 2007 sẽ đưa thêm 4 lò nữa có công suất 2.060 MW vào khai thác. Dự báo, công suất điện hạt nhân của Canada vào năm 2025 là 12.350 MW. Khu vực châu Á là khu vực có nền kinh tế năng động, tốc độ tăng trưởng rất cao, bình quân 5-7%/năm, riêng Trung Quốc đạt gần 10%/năm, do đó, nhu cầu về năng lượng rất lớn. Hơn nữa, hai nước Trung Quốc và Ấn Độ phải đối mặt với sức ép về dân số (2/5 dân số thế giới), còn hai nước Nhật Bản và Hàn Quốc đều thiếu tài nguyên năng lượng. Để đảm bảo an ninh năng lượng, các nước này đều đã lựa chọn giải pháp phát triển điện hạt nhân. Hai nước có sản lượng điện hạt nhân lớn nhất khu vực là Nhật Bản và Hàn Quốc. Nhật Bản đang vận hành 54 tổ máy và đang xây dựng thêm 3 tổ máy. Mặc dù gần đây, có một số vấn đề trong ngành công nghiệp hạt nhân, nhưng Nhật Bản vẫn lên kế hoạch xây thêm 13 tổ máy mới tổng công suất 13.000 MW trước năm 2010. Tổng công suất điện hạt nhân của Nhật sẽ tăng lên tới 56.880 MW vào năm nay. Hàn Quốc hiện đang vận hành 18 tổ máy và đến năm 2015 có thêm 15 tổ máy mới. Hàn Quốc đang phát triển thế hệ lò mới công suất lên tới 1.400 MW mang tên APR–1400 trên cơ sở thế hệ lò hạt nhân tiêu chuẩn Hàn Quốc hiện nay. Theo dự kiến, những lò APR đầu tiên sẽ vận hành thương mại vào khoảng đầu năm 2010. Hiện nay, điện hạt nhân đang cung cấp trên 40% tổng nhu cầu điện năng của Hàn Quốc và sẽ là nguồn cung cấp nhất quán. Đó là yếu tố then chốt quyết định sự thành công của chương trình năng lượng hạt nhân của Hàn Quốc. Tính đến tháng 4/2004, Trung Quốc đã có 9 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động với tổng công suất 6.750 MW, điện hạt nhân chiếm khoảng 2,5% tổng sản lượng điện. Đang xây dựng thêm 2 tổ máy mới, dự kiến hoàn thành vào năm 2005. Chính phủ Trung Quốc đang xem xét khả năng xây dựng trong tương lai 26 tổ máy hạt nhân mới. Theo kế hoạch, công suất điện hạt nhân của Trung Quốc năm 2005 sẽ lên tới 21.000 MW. Chính sách về điện hạt nhân của Trung Quốc trong những năm tới là hợp tác với công ty nước ngoài để nhanh chóng nội địa hóa và tiêu chuẩn hóa loại lò PWR, chuẩn bị cho việc xây dựng loại lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ (LWR) thế hệ mới, nâng cao độ an toàn và tính cạnh tranh kinh tế của điện hạt nhân. Đài Loan phát triển điện hạt nhân thành công một cách lặng lẽ, chủ yếu là nhập lò về dùng để sản xuất điện. Hiện có 6 lò đang hoạt động với tổng công suất 4.884 MW và sản lượng điện năm 2002 đạt 33,9 tỉ kWh, chiếm 21% sản lượng điện trong nước. Đài Loan đang xây dựng 2 lò loại ABWR–1350. Ấn Độ đang vận hành 13 tổ máy với tổng công suất 2.460 MW. Hiện đang xây dựng thêm 8 tổ máy mới và đặt mục tiêu tăng công suất lên 20.000 MW vào năm 2020. Hình 3.1 : Đóng góp của điện hạt nhân vào ngành năng lượng thế giới TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ Nguyên tắc làm việc của nhà máy điện nguyên tử không khác nhiều so với nguyên tắc làm việc của nhà máy nhiệt điện. Lò phản ứng hạt nhân chính là nơi cung cấp nhiệt năng tạo ra hơi nước cho các động cơ hơi nước phát điện . Hình 3.2: Cấu trúc nhà máy điện nguyên tử Cấu trúc một nhà máy điện nguyên tử thường gồm 4 phần chính tương ứng như hình 3.2: Tòa nhà chính (Containment Building - C): gồm lò phản ứng (Reactor Vessel), lò sinh hơi (Steam generator), máy áp lực (Pressurizer), bơm làm mát (Reactor Coolant Pump) Nhà tuabin (Turbine Building - A): gồm tuabin, máy phát (Generator), bình ngưng tụ (Condenser), máy nén khí (Air Compressor), bơm… Nhà phụ (Auxiliarry Building - B): có phòng điều khiển (control room), máy phát dự phòng… Nhà nhiên liệu (Fuel Building - D): dùng để chứa nhiên liệu đã qua sử dụng (spent fuel) và chưa sử dụng (new fuel) cho lò phản ứng Một nhà máy điện nguyên tử có nhiều bộ phận khác nhau, nhưng quan trọng nhất là lò phản ứng (Reactor Vessel), nơi diễn ra các phản ứng dây chuyền. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng dây chuyền được các chất dẫn nhiệt truyền ra ngoài. Để điều khiển các phản ứng dây chuyền, người ta sử dụng hệ thống điều khiển và bảo vệ, hệ thống này được làm từ các vật liệu có khả năng hấp thụ các hạt nơtron cao (Bo, Cd). 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 cho các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân. Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều hoạt động ở những mức công suất cao. Ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản sinh ra một số lượng lớn nơtron, các tia g và các tia b. Ngay cả khi lò đã bị dập, cường độ phóng xạ của các tia g và b vẫn còn lớn do có một lượng lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra. Chẳng hạn một lò có công suất 10MW có thể sản ra 109 curi các sản phẩm phân hạch, đây là một cường độ phóng xạ gần đúng tương đương với cường độ phóng xạ của khối 1000 tấn radi. Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một “vỏ” vật liệu. Vật liệu thường được dùng làm vỏ là: nhôm, thép không gỉ, ziriconi. Thứ nữa, để đảm bảo an toàn cho những người làm việc quanh lò phản ứng, ta phải có thêm những vật chắn để tránh các nơtron nhanh cũng như các tia g vì chúng có các bức xạ có khả năng xuyên thấu mạnh, có tác dụng phá huỷ mô tế bào cao. Như ta đã thấy trên đây, để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235 bắt, ta phải dùng loại vật liệu có nguyên tử khối nhỏ. Trong khi đó, để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia g lại phải dùng vật liệu có nguyên tử khối lớn. Do đó, người ta thường dùng hỗn hợp những chất có nguyên tử khối nhỏ và lớn để làm vật chắn. Trong một số trường hợp, người ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và Polyetilen (PE) để làm vật chắn, còn trong đa số trường hợp người ta dùng bêtông cho tiết kiệm. Người ta còn dùng loại bêtông đặc biệt là bêtông thông thường có thêm cốt sắt hoặc pha quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn tia g. NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN Nhiên liệu là các chất khi cháy cho nhiệt năng. Nhiên liệu được biết đến như than, gỗ, khí thiên nhiên hay dầu mỏ. Tương tự như vậy uranium dùng trong các nhà máy điện hạt nhân được gọi là điện hạt nhân. Trong tự nhiên uranium tìm thấy trong lớp vỏ địa cầu là một sự pha trộn phần lớn của 2 chất đồng vị uranium 238 (U238) chiếm 99.3%, uranium 235 (U235) vào khoảng 0.7%. chất đồng vị U235 là quan trọng hơn. Bởi vì trong điều kiện nhất định nó có thể bị phân rã và cung cấp nhiều năng lượng. U238 phân rã rất chậm chạp, chu kỳ bán rã bằng tuổi thọ của trái đất. Mặc khác trong lò phản ứng nguyên tử U238 có thể bắt một trong những neutron đang hướng về bên trong lõi lò phản ứng và trở thành Pu239. Pu239 rất giống U235 ở chỗ trong những lò phản ứng phân hạch khi bị va chạm bởi một neutron nó giải phóng ra nhiều năng lượng. Do có rất nhiều U238 trong lõi lò phản ứng (chiếm hầu hết nhiên liệu) nên những phản ứng này xuất hiện thường xuyên và trên thực tế khoảng 1/3 năng lượng của nhiên liệu tạo nên do sự phân rã của Pu239. Quá trình chuẩn bị nhiên liệu Tách uranium ra từ quặng: uranium không được khai thác trực tiếp dưới dạng tinh khiết vì ở trạng thái thiên nhiên nó nằm trong đá kết hợp với các nguyên tố hóa học khác. Những loại đá giàu uranium nhất là quặng uranium (U) chẳn hạn như têchblen. Tuyển quặng và tinh chế U: khi tách đá ra khỏi quặng được đem đi nghiền nát và U được chiết xuất ra bằng các phương pháp hóa học. Tinh quặng chế tạo ra có dạng bột nhão màu vàng gọi là “bánh vàng” chứa khoảng 75% oxit U. “Bánh vàng này phải được loại hết mọi tạp chất qua nhiều giai đoạn là tinh khiết. Sau khi đạt độ tinh khiết cao thì được chuyển hóa thành tetraflorua (UF4). Trước khi được làm giàu, UF4 được qua một công đoạn tinh chế thành UF6 có đặc tính là ở thể khí và bắt đầu từ 560C. Hình 3.3: Bánh vàng Làm giàu U: trong tự nhiên U235 chiếm tỷ lệ nhỏ 0.7%. việc làm tăng tỷ lệ U235 trong tự nhiên được gọi là việc làm giàu. Trong tất cả các phương pháp làm giàu được nghiên cứu cho đến nay có 2 phương pháp đã được phát triển đến qui mô công nghiệp: khuyếch tán chất khí và siêu ly tâm. Chu trình nhiên liệu:là quá trình khai thác, sử dụng, tái chế nhiên liệu. Có hai loại chu trình: chu trình kín, chu trình hở. Chu trình hở: là chu trình khai thác sử dụng và đào thải nhiên liệu hạt nhân. Nhiên liệu sau khi dùng xong được cất giữ lâu dài mà không tái xử lý. Hình 3.4: Chu trình hở Chu trình kín: là chu trình khai thác sử dụng và tái chế nhiên liệu hạt nhân sau khi sử dụng. chu trình kín cho phép lấy lại U và Pu. Hình 3.5: Chu trình kín LÒ PHẢN ỨNG Nguyên tắc hoạt động Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron bắn ra. Nếu dùng chất làm chậm để năng lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1-0,01eV) thì có thể dùng Urani thiên nhiên làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền. Tính chất này được dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235, Pu239, U233). Trong một lò phản ứng hạt nhân, các thanh Urani thiên nhiên hay Plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền. Hình 3.6: Nguyên lý lò phản ứng hạt nhân Như vậy, nơtron nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh Cadimi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt. Muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh Cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để đảm bảo hệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn vị (k=1). Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi. Hơi nước sẽ kéo tuabin của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt rồi trở về lò nhờ vào một hệ thống bơm đặc biệt. Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng. Hệ bảo vệ đảm bảo sự an toàn phóng xạ. Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện nguyên tử và lò hơi Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm khác nhau tuỳ theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân. Tuỳ theo năng lượng nơtron gây ra phản ứng phân hạch người ta phân loại: lò phản ứng nơtron nhiệt, lò nơtron trung gian và lò nơtron nhanh. Nơtron nhiệt có năng lượng ở lân cận 0,025eV. Nơtron trung gian có năng lượng trong khoảng 1keV-100keV. Nơtron nhanh có năng lượng lớn hơn 100kev. Nhiên liệu sử dụng cho lò phản ứng nơtron chậm là Urani giàu U235, Pu239, U233, còn đối với lò phản ứng nơtron nhanh là U233, Th232. Chất làm chậm thường dùng là graphit, nước nặng. Chất tải nhiệt có thể là nước nặng, kim loại lỏng Natri, Kali, bismuth, chì, thuỷ ngân… Các thành phần của lò phản ứng Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra. Cấu tạo của lò gồm các bộ phận chủ yếu sau: Hình 3.8: Lò phản ứng Nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt. Chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo đều kiện cho phản ứng dây chyền xảy ra. Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để di chuyển ra bộ phận bên ngoài. Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân. Nhiên liệu Nguyên liệu thường được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân là U235, U233, hoặc Pu239. Phản ứng dây chuyền xảy ra dưới tác động ban đầu của các hạt nơtron. Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu U235 nghèo, nơtron kích hoạt là các nơtron năng lượng thấp (nơtron chậm). Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng Pu239 hoặc U235 làm giàu, thường sử dụng nơtron kích hoạt có năng lượng lớn (nơtron nhanh). Hình 3.9: Nhiên liệu lò phản ứng Các lò phản ứng hạt nhân thông thường hiện nay sử dụng nguyên liệu Uranium oxide UO2 chứa 5% U235. Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển. Hình 3.10: Thanh nhiên liệu Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thụ nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì. Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhưng khả năng hấp thụ nơtron lớn nên không thể sử dụng Urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ. Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Urani được làm giàu trên dưới 4% ở dạng oxit urani. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh. Chất làm chậm Có nhiệm vụ làm giảm năng lượng của các hạt nơtron sinh ra trong phản ứng dây truyền, tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra dễ dàng. Chất làm chậm có hai tính chất sau: Hấp thụ nơtron hiệu quả. Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao. Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có nguyên tử khối nhỏ. Các loại chất làm chậm thông thường : Nước nhẹ H2O: có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng nhược điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí. Nước nặng D2O: cũng có hiệu suất làm chậm tốt, nhưng do không hấp thụ nơtron một cách lãng phí nên 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 hấp thụ ít nơtron và giá thành tương đối rẻ. Nước nặng có giá thành cao, nên chỉ sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu là Urani tự nhiên chưa qua làm giàu. Thông thường người ta sử dụng nước làm chất làm chậm. Chất tải nhiệt: Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài gọi là chất tải nhiệt. Chất tải nhiệt có thể chạy trong các ống áp lực, hoặc chạy trực tiếp qua vùng phản ứng. Chất tải nhiệt thông thường là nước, khí gas, hoặc kim loại nóng chảy như Natri. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; Lò phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; Lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí Carbon Dioxit CO2 hoặc Heli và lò phản ứng tái sinh nhanh thì sử dụng 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 truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt sơ cấp, nhận nhiệt năng và chuyển đến bộ phận tạo hơi nước làm quay tua bin. Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn có thể có đến 2 vòng thứ cấp. Thiết bị của các vòng truyền nhiệt sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bảo vệ sinh học. Thanh điều khiển: Các thanh điểu khiển dùng để điều khiển tốc độ của các phản ứng hạt nhân xảy ra trong lò phản ứng. Chúng được làm từ những vật liệu có tính hấp thụ nơtron cao (Cd, Bo) Khi nhà máy hoạt động, nhiệt độ ở tâm lò được theo dõi một cách chặt chẽ. Khi nhiệt độ giảm xuống quá thấp, các thanh điều khiển được nâng lên và do đó, ít nơtron sinh ra trong phản ứng dây chuyền bị hấp thụ hơn. Các nơtron không bị hấp thụ sẽ tham gia vào phản ứng dây chuyền, sinh ra nhiều năng lượng hơn. Còn khi nhiệt độ tâm lò phản ứng quá cao, các thanh điều khiển được đưa xuống thấp để hấp thụ bớt nơtron, làm giảm tốc độ phản ứng dây chuyền. Hình 3.11: Nguyên lý hoạt động của thanh điều khiển Trong trường hợp khẩn cấp, các thanh điều khiển sẽ tự động được đưa sâu vào trong tâm lò phản ứng, hấp thụ toàn bộ nơtron sinh ra, dừng hẳn phản ứng dây chuyền, nhà máy ngừng hoạt động. Các thế hệ lò phản ứng Từ khi xuất hiện đến nay, nhà máy điện hạt nhân đã được thiết kế và cải tiến đảng kể. Những cải tiến ở thế hệ sau so với thế hệ trước là: Cải thiện hiệu quả phản ứng để tiêu tốn nhiên liệu ít hơn, tăng lượng năng lượng sinh ra Cải thiện độ an toàn Cải tiến nhiên liệu để có nguồn nguyên liệu giá rẻ hơn . Các nhà sản xuất đã chia các lò phản ứng thảnh 4 thế hệ, gồm các lò trong quá khứ, hiện tại và các lò đang được nghiên cứu để triển khai trong tương lai Hình 3.12: Các thế hệ lò phản ứng Thế hệ I Lò phản ứng có tên Magnox là một lò phản ứng đầu tiên được sản xuất và tung ra thị trường những năm đầu thập niên 50 do ba nhà vât lý người Anh sáng chế là: Ts.Ion, Ts.Khalit, và Ts.Magwood. Lò Magnox sử dụng nguyên liệu Urani thiên nhiên, trong đó chỉ có 0,7% chất đồng vị U235 và 99,2% U238. Nguyên tắc vận hành có thể được tóm tắt như sau: các ống kim loại Urani này được bao bọc bằng một lớp hợp kim nhôm (Al) và magie (Mg). Một lớp than graphit đặt nằm giữa ống Urani và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích nơtron do sự phân hạch U235. Từ đó các nơtron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra. Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và nhiệt năng này được đưa đến một tuabin hơi nước để từ đó biến thành điện năng. Việc điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng là một công việc quan trọng bậc nhất của một lò phản ứng. Trong công đoạn này lò Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt, loại thép này có tính chất hấp thụ các nơtron, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Có tất cả 26 lò phản ứng Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện tại chỉ còn 8 lò còn đang hoạt động và sẽ bị đào thải vào năm 2010. Hình 3.13: Lò phản ứng Magnox Theá heä II Goàm coù: LWR, BWR, PWR, CANDU hay Pressurized Heavy Water Reactor – PHWR. (CANDU - Canadian Deuterium Uranium). Loaïi loø naøy ñaõ ra ñôøi vaøo thaäp nieân 70, hieän chieám ña soá caùc loø ñang hoaït ñoäng treân theá giôùi. Töø luùc ban ñaàu, 60% loaïi loø naøy aùp duïng nguyeân lyù loø nöôùc soâi aùp suaát cao (Pressurized Water Reactor - PWR), trong ñoù nöôùc soâi aùp suaát cao ñöôïc söû duïng vöøa laøm dung dòch laøm nguoäi, vöøa laøm dung dòch ñieàu hoaø phaûn öùng. Nhieân lieäu söû duïng cho loø theá heä II naøy laø hôïp chaát Urani ñioâxit U2O vaø hôïp kim naøy ñöôïc boïc trong caùc oáng caáu taïo baèng kim loaïi zirconi. Trong loaïi loø naøy, U235 seõ ñöôïc laøm giaøu töø 0.7% ñeán 3.5%. Nöôùc laøm maùt trong PWR luoân ñöôïc duy trì ôû moät aùp suaát lôùn hôn aùp suaát hôi baõo hoaø cuûa nöôùc töông öùng vôùi nhieät ñoä toái ña maø noù coù theå ñaït ñöôïc ñeå traùnh toaøn khoái nöôùc bò soâi leân. Bôûi vì nuôùc laø chaát löu khoâng bò neùn, söï thay ñoåi veà theå tích, do nhieät ñoä toûa ra töø phaûn öùng, seõ gaây ra nhöõng thay ñoåi nghieâm troïng veà aùp suaát. Ñieàu naøy raát nguy hieåm. Ñeå traùnh hieän töôïng naøy, ngöôøi ta thieát keá moät buoång trieät aùp nhaèm taïo moät choã troáng ñeå nöôùc coù theå thay ñoåi theå tích maø khoâng aûnh höôûng gì ñeán aùp suaát. Giôùi haïn quan troïng nhaát trong loø PWR laø nhieät ñoä cuûa nöôùc 374oC. Trong thöïc teá, caùc loø thöôøng coù nhieät ñoä laø 300oC vì lyù do an toaøn. AÙp suaát cuûa nöôùc phaûi lôùn hôn aùp suaát hôi baõo hoaø cuûa nöôùc ôû nhieät ñoä 300oC laø 85.93 bar ñeå traùnh khoâng cho khoái nöôùc naøy bò soâi leân. Thoâng thöôøng aùp suaát ñöôïc duy trì ôû möùc 155 bar. Caùc oáng daãn trong PWR laøm baèng theùp, daøy töø 20 - 25 cm. Moät PWR tieâu bieåu chöùa khoaûng 200 boù nhieân lieäu (fuel assembly). Moãi oáng coù 264 thanh nhieân lieäu vaø 24 oáng chöùa thanh ñieàu khieån. Hình 3.14: Pressurized Water Reactor - PWR Nhöng caùc loaïi loø naøy daàn daàn ñöôïc thay theá baèng caùc aùp duïng nguyeân lyù cuûa loø nöôùc soâi (Boiling Water Reactor-BWR). Moät khaùc bieät cô baûn laø nöôùc ñöôïc ñun soâi roài môùi chuyeån qua heä thoáng laøm taêng aùp suaát. Nhö vaäy, phöông phaùp naøy seõ ruùt ngaén tieán trình taïo nhieät cuûa hôi nöôùc khi chuyeån nhieät löôïng qua caùc tuabin ñeå bieán thaønh ñieän naêng. BWR khaùc so vôùi PWR ôû choã hôi nöôùc laøm quay turbine ñöôïc taïo tröïc tieáp ôû loøng loø. Hôi nöôùc ñöôïc taùch ra vaø laøm khoâ bôûi thieát bò cô khí ñöôïc ñaët ôû phaàn treân cuûa caùc oáng aùp löïc. Hôi nöôùc khoâ ñöôïc ñöa tröïc tieáp tôùi turbine aùp löïc cao, do ñoù ta khoâng caàn coù maùy sinh hôi nöôùc. Trong tröôøng hôïp naøy, chaát laøm maùt coøn ñoùng vai troø moderator vaø löu chaát laøm vieäc. Vì chaát laøm maùt soâi trong loøng loø, aùp suaát cuûa noù thaáp hôn aùp suaát trong PWR, noù ñöôïc duy trì ôû 70 bar, nhieät ñoä 285oC. Tuy nhieân, taêng möùc soâi seõ laøm maát nöôùc trong loøng loø, giaûm khaû naêng laøm chaäm neutron (moderator), giaûm khaû naêng cuûa loø phaûn öùng. Hình 3.15: Boiling Water Reactor-BWR Loø phaûn öùng CANDU hay PHWR: Ñaây laø maãu loø phaûn öùng do Canada thieát keá, söû duïng nöôùc naëng ôû aùp suaát cao. Nöôùc naëng ôû ñaây laø Deuterium Oxit D2O, laøm dung dòch trung hoaø cuõng chính laø nguoàn laïnh, vaø nhieân lieäu söû duïng laø Uranium thieân nhieân. Öu ñieåm noäi troäi cuûa loø naøy theå hieän ôû nhieân lieäu söû duïng, moâi tröôøng trung hoaø cuõng nhö caáu truùc cuûa loõi loø. Loø phaûn öùng naøy coù hieäu suaát hoaït ñoäng cao nhaát trong caùc loø phaûn öùng hieän taïi söû duïng Uranium, noù duøng ít hôn khoaûng 15% Uranium so vôùi loaïi loø nöôùc döôùi aùp suaát cho moãi MW ñieän taïo ra. Hình 3.16: CANDU hay PHWR Vì söû duïng nöôùc naëng, neân nhieân lieäu khoâng caàn phaûi qua quaù trình laøm giaøu. Caùc loø CANDU coù theå ñöôïc caáp nhieân lieäu thoâng qua heä thoáng bình nhieân lieäuphoùng xaï thaáp, bao goàm caùc oáng ñaõ qua söû duïng ôû loø phaûn öùng nöôùc nheï. Ñieàu naøy haïn cheá söï phuï thuoäc cuûa nguoàn uranium neáu xaûy ra quaù trình khan hieám hay giaù caû leo thang. Nöôùc naëng Deuterium oxide D2O coù hieäu suaát lôùn bôûi vì khaû naêng haáp thuï netron chaäm cao vaø thích hôïp vôùi taát caû caùc heä thoáng loø thöông maïi ñöôïng thôøi. Baèng vieäc duy trì phaûn öùng daây truyeàn söû duïng nguyeân lieäu uranium töï nhieân. Nöôùc naëng coù thôøi gian hoaït ñoäng ñöôïc cao hôn vaø caû thôøi gian soáng cuûa döï aùn vaø coù theå taùi söû duïng. Moät ñieåm noäi troäi nöõa cuûa loaïi loø naøy ñoù chính laø thieát keá cuûa loõi loø. Loõi loø chöùa raát nhieàu caùc oáng nhieân lieäu nhoû, chöù khoâng phaûi 1 bình aùp suaát lôùn. Noù cho pheùp naïp nhieân lieäu ngay caû khi maùy ñang hoaït ñoäng vôùi hieäu suaát cao. Khaû naêng di chuyeån ñöôïc cuûa caùc thanh nhieân lieäu trong caùc oáng aùp suaát cho pheùp khaû naêng ñoát chaùy ñaït hieäu quaû toái öu trong loø phaûn öùng. Loø phaûn öùng HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactor): Ñaây laø loø phaûn öùng gas laøm maùt theá heä thöù hai cuûa Anh, söû duïng than chì ñieàu tieát vaø Cacbon Dioxide (CO2) laø chaát laøm nguoäi. Nhieân lieäu laø caùc vieân uranium oxitde ñeå naâng cao chaát löôïng töø 2.5-3.5%. Cacbon dioxide tuaàn hoaøn xuyeân qua loõi ôû nhieät ñoä 6500C, vaø qua maùy phaùt tua bin hôi ra ngoaøi loõi, nhöng vaãn beân trong khoái beâ toâng vaø oáng theùp aùp löïc. Loaïi loø phaûn öùng naøy ñöôïc phaùt trieån töø loø phaûn öùng Magnox, cuõng duøng than chì laøm chaát ñieàu thieát vaø CO2 laø chaát laøm maùt. Moät soá loø vaãn coøn hoaït ñoäng ôû UK. Caùc loø naøy söû duïng nhieân lieäu Uranium thieân nhieân daïng kim loaïi. Hình 3.17: High Temperature Gas-cooled Reactor - HTGR Loø phaûn öùng LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) Chaúng bao laâu sau söï ra ñôøi cuûa nhaø maùy haït nhaân ñaàu tieân, caùc nhaø khoa hoïc vaø kyõ sö baét ñaàu lo laéng veà khaû naêng thieáu huït nhieân lieäu haït nhaân vì nguoàn cung caáp uranium chæ taäp trung ôû moät vaøi nôi thuoäc chaâu Phi vaø Taây AÂu. Tình hình thaät söï nghieâm troïng khi nhaø maùy naêng löôïng ñaàu tieân laáy U235 laøm nhieân lieäu vaø ñoàng vò phoùng xaï naøy chæ chieám 0.7% löôïng uranium töï nhieân. Vieäc thieáu huït uranium ñaõ trôû thaønh ñoäng cô ñeå tìm kieám moät giaûi phaùp nhaèm laøm taêng nguoàn nhieân lieäu baèng caùch phaùt trieån caùc loø phaûn öùng coù theå söû duïng toát hôn caùc taøi nguyeân saün coù. Caùc nhaø thieát keá baét ñaàu nghó ñeán vieäc söû duïng U238, chieám 99,3% löôïng uraium töï nhieân, laøm nhieân lieäu saûn xuaát ñieän naêng. Vaøo nhöõng naêm 1950, caùc nhaø khoa hoïc ñaõ phaùt minh ra moät loø phaûn öùng môùi, gaây neân moät cuïoâc caùch maïng treân theá giôùi. Noù ñöôïc ñaët teân laø Fast Breeder. Trong daïng loaïi loø naøy, phaûn öùng phoùng xaï vöøa taïo ra nhieät ñeå laøm hôi nöôùc, chaïy tua bin, vöøa taïo nguyeân lieäu phoùng xaï töø nhöõng ñoàng vò phoùng xaï khaùc. Plutonium, Pu239, laø nhieân lieäu thöôøng ñöôïc duøng trong loaïi loø naøy. Heä thoáng laøm laïnh vaø truyeàn nhieät söû duïng caùc kim loaïi loûng nhö Kali, Liti. Kali laø nguoàn phong phuù vaø thöôøng ñöôïc söû duïng nhaát. Hình 3.18: Liquid Metal Fast Breeder Reactor - LMFBR Moâ hình loø phaùt sinh naøy ñoøi hoûi phaûi traûi qua quaù trình laøm giaøu nhieân lieäu U235, thöôøng leân tôùi 15-30% so vôùi loø phaûn öùng nöôùc nheï. Nhieân lieäu ñöôïc bao quanh bôûi moät caùi “chaên” taïo bôûi Uranium khoâng phoùng xaï U238. Khoâng coù dung dòch trung hoaø ñöôïc söû duïng do neutron nhanh coù hieäu quaû cao trong quaù trình bieán ñoåi U238 sang Pu239. Söû duïng nöôùc laøm nguoàn nguoäi coù theå laøm chaäm nôtron nhöng do söû duïng dung dòch kali ñaõ phaù vôõ quaù trình trung hoaø vaø taïo ra hieäu suaát truyeàn nhieät raát cao. Theá heä III vaø III+ Keå töø cuoái thaäp nieân 80, theá heä III baét ñaàu ñöôïc nghieân cöùu vôùi nhieàu caûi tieán töø caùc loø phaûn öùng loaïi BWR cuûa theá heä II. Naêm 1996, taïi Nhaät ñaõ coù loïai naøy. Hieän taïi caùc loø naøy ñang ñöôïc söû duïng ôû nhieàu quoác gia treân theá giôùi vì thôøi gian xaây döïng töông ñoái ngaén (chæ xaây khoaûng 3 naêm) vaø chi phí cuõng giaûm so vôùi caùc loø thuoäc theá heä tröôùc. Hôn nöõa, vieäc vaän haønh cuõng nhö baûo döôõng loaïi loø naøy töông ñoái ñôn giaûn vaø an toaøn. Caùc loø phaûn öùng theá heä III goàm coù: ABWR, the System 80+ Advanced Pressurized Water Reactor (APWR), vaø the AP600 Passive-Design Reactor. Nhöõng thieát keá naøy ñaõ ñöôïc phaùt trieån ôû Myõ vaø ñaõ ñöôïc xaây döïng ôû nhieàu nôi treân theá giôùi. Theá heä III+: laø nhöõng loaïi loø coù theå ñöôïc khai thaùc vaøo naêm 2010. Noù ñaõ ñöôïc phaùt trieån trong nhöõng naêm 90 vaø ñang trong nhöõng giai ñoaïn thieát keá vaø thi coâng khaùc nhau. Goàm coù: Pebble-Bed Modular Reactor (PBMR) vaø The AP1000. AP600 passive- design reactor: Laø 1 caûi tieán cho caùc nhaø maùy haït nhaân khoaûng 600MW duøng löïc cuûa töï nhieân vaø ñôn giaûn trong thieát keá ñeå naâng cao ñoä an toaøn vaø giaûm giaù thaønh xaây döïng. Laø 1 heä thoáng ñôn giaûn trong thieát keá, hoaït ñoäng hieäu quaû, kieåm tra, an toaøn trong vaän haønh, baûo trì bôûi vieäc giaûm thieåu heä thoáng van, bôm, oáng daãn, heä thoáng ñieän xoay chieàu cao aùp, vaø nhöõng duïng cuï phöùc taïp. AP600 an toaøn vöôït troäi do phuï thuoäc vaøo caùc löïc cuûa töï nhieân nhö troïng löïc, ñoái löu, söï bay hôi vaø söï ngöng tuï thay vì nguoàn ñieän AC vaø caùc motor ñieàu khieån. Pebble – bed modulator reactor (PBMR): PBMR phaùt trieån bôûi Eskom ôû Nam Phi trong thaäp nieân 90, döïa treân loø phaûn öùng nhieät ñoä cao (HTR) thieát keá vaø xaây döïng ôû Ñöùc trong thaäp nieân 80. PBMR khoâng duøng thanh nhieân lieäu maø duøng caùc quaû caàu nhieân lieäu coù côõ nhö quaû boùng tennis ñöôïc boïc bôûi graphic. Moät loø phaûn öùng chöùa 440.000 quaû caàu. Beân trong moãi quaû caàu laø 15.000 phaàn töû Urani ñöôïc bao boïc bôûi silicon cacbon nhaèm ngaên chaën khí vaø kim loaïi phoùng xaï thoaùt ra ngoaøi. Beân trong moãi quaû caàu laø U laøm giaøu 8% vaø graphic bao boïc beân ngoaøi ñöôïc duøng ñeå laøm chaäm nôtron. Duøng khí trô He ñeå trao ñoåi nhieät toát hôn so vôùi nöôùc vaø hôi, ñoàng thôøi taïo ñöôïc ñoä an toaøn cao vì khí He trô khoù chaùy noå. Vaän haønh lieân tuïc, khoâng caàn döøng maùy khi tieáp theâm nhieân lieäu (caùc loø phaûn öùng nöôùc nheï döøng cöù 18 - 24 thaùng/1chu kì ñeå theâm nhieân lieäu). Giaûm toái thieåu ñoøi hoûi baûo trì vì turbine gas thì hieäu quaû hôn turbine hôi nöôùc vaø vôùi löïc töø sinh ra thì ít coù söï ma saùt neân PBMR baûo trì 6 naêm 1 laàn. Ñieàu kieän an toaøn ñöôïc baûo ñaûm vì He trô neân khoù xaûy ra chaùy noå, neáu phaûn öùng khoâng döøng laïi bôûi quaû caàu graphite hoaëc bò laøm laïnh thì noù seõ töï nguoäi bôûi vôùi tæ leä laøm giaøu cuûa Uranium laø 8% thì phaûn öùng daây chuyeàn haøng loaït gaây noå khoâng xaûy ra. PBMR töï noù chöùa chaát thaûi trong caùc quaû caàu graphic sau khi söû duïng ñeå ngaên chaën khaû naêng phaùt xaï (graphic haáp thuï phoùng xaï) cho ñeán khi noù maát tính phoùng xaï. AP1000: loø phaûn öùng coù coâng suaát 1000MW döïa treân thieát keá an toaøn thuï ñoäng (töï noù ñaõ baûo veä ñöôïc) cuûa AP600, an toaøn trong vaän haønh vaø döøng laïi khaån caáp. Theá heä IV Nhöõng loø coù theå ñöôïc khai thaùc vaøo naêm 2030 vaø ñöôïc hy voïng laø coù tính kinh teá cao, naâng cao ñoä an toaøn, ít chaát thaûi, khoâng hö hoûng. The International Reactor Innovative & Secure (IRIS) project reactor laø moät loaïi thuoäc theá heä loø phaûn öùng thöù 4 ñang ñöôïc phaùt trieån. Noù laø Light-Water Reactor (LWR) keát hôïp vôùi caùc kyõ thuaät tieán boä ñeå taêng ñoä an toaøn vaø giaûm chi phí vaän haønh. Moät loaïi Generation IV reactor khaùc laø the Gas Turbine Modular Helium Reactor (GT-MHR) IRIS: döï aùn loø phaûn öùng quoác teá Muïc tieâu cuûa döï aùn IRIS laø taïo ra moät loø phaûn öùng môùi theá heä 4, ñöôïc thöïc hieän bôûi Westing House, caùc coâng ty naêng löôïng vaø 7 tröôøng ñaïi hoïc khaùc goàm caùc nöôùc: Brazil, Italy, Japan, Mexico, Spain, the United Kingdom, and the United States. IRIS laø loaïi loø phaûn öùng nöôùc nheï, thieát keá goàm nhieàu modun khaùc nhau, moãi loaïi coù khaû naêng taïo töø 100 ñeán 3000 MW ñieän. Caùc modun naøy ñöôïc ñieàu khieån chung bôûi 1 phoøng ñieàu khieån, giaù moãi loaïi töø 200 trieäu ñeán 3 tyû USD. Döï aùn baét ñaàu naêm 1999 vaø hi voïng seõ ñi vaøo thöïc hieän naêm 2010 – 2015. Loø söû duïng Uranium 5% cho laàn ñaàu tieân vaø 9% cho nhöõng laàn keá. Vieäc thay loõi chæ dieãn ra 8 naêm 1 laàn neân vieäc quaûn lyù chaát thaûi raát ñôn giaûn (taát caû chöùa trong loõi). GT-MHR: loø coù khí ñöôïc laøm laïnh, quy moâ trung bình Phaùt trieån bôûi General Atomics, keá thöøa töø nhöõng daïng loø thí nghieäm bôûi Anh vaø Ñöùc tröôùc ñaây. Coù caáu taïo goàm nhieàu modun, coù kích côõ trung bình vaø ñöôïc xaây döïng döôùi maët ñaát ñeå an toaøn. Phía treân maët ñaát laø nhöõng maùy cung caáp nhieân lieäu vaø caùc heä hoaït ñoäng phuï khaùc, do ñoù laøm giaûm nguy hieåm ñoái vôùi con ngöôøi khi coù söï coá. Loø söû duïng nhöõng haït nhieân lieäu nhoû, hình caàu vôùi moät loõi Uranium hay Plutanium boïc bôûi silicone hoaëc caùc loaïi vaät lieäu khaùc ñeå traùnh caùc tia phoùng xaï thoaùt ra, chuùng coù theå chòu ñöïng ñöôïc nhieät ñoä raát cao khi coù söï coá. Loø coù chu kì nhieân lieäu laø 3 naêm, vôùi moät nöûa loõi ñöôïc thay theá moãi 18 thaùng khi loø taét. Khí heli söû duïng nhö chaát laøm maùt, khí theo caùc heä thoáng laøm maùt tôùi nhieân lieäu, mang nhieät phaûn öùng tôùi heä thoáng bieán ñoåi naêng löôïng, vì noù khoâng coù phaûn öùng vôùi caùc nguyeân töû nhieân lieäu neân söû duïng He laø an toaøn. Chöông 4: CHIEÁN LÖÔÏC PHAÙT TRIEÅN NAÊNG LÖÔÏNG HAÏT NHAÂN ÔÛ VIEÄT NAM Môû ñaàu Vieäc cung caáp naêng löôïng, ñaëc bieät laø ñieän naêng moät caùch ñaày ñuû vaø tin caäy raát caàn thieát cho söï phaùt trieån kinh teá vaø oån ñònh chính trò.Vieät Nam ñang trong quaù trình coâng nghieäp hoùa, hieän ñaïi hoaù, vieäc ñaûm baûo an ninh trong cung caâp naêng löôïng laø cöïc kyø quan troïng. Phaùt trieån ñieän haït nhaân laø caàn thieát, goùp phaàn ñaûm baûo an ninh cung caáp ñieän oån ñònh, ña daïng hoaù nguoàn naêng löôïng, baûo veä moâi tröôøng vaø taêng cöôøng tieàm löïc khoa hoïc coâng ngheä vaø coâng nghieäp cuûa quoác gia. Döï baùo nhu caàu naêng löôïng Vôùi toác ñoä taêng tröôûng kinh teá nhö hieän nay (7-8%), Vieät Nam töø nöôùc xuaát khaåu taøi nguyeân naêng löôïng seõ trôû thaønh nöôùc nhaäp khaåu naêng löôïng vaøo naêm 2016-2020. Tyû leä nhaäp khaåu seõ laø 9-16% vaøo naêm 2020, sau ñoù taêng leân 29-38% vaøo naêm 2050. Veà tình hình cung caáp ñieän trong nöôùc, ñeán naêm 2015 nöôùc ta seõ thieáu 8 tyû kWh, naêm 2020 seõ thieáu 36-65 tyû kwh vaø ñeán naêm 2030 seõ thieáu 119-188 tyû kWh. Caùc giaûi phaùp caân ñoái naêng löôïng naêm 2020: STT Các giải pháp Thuận lợi Khó khăn Chi phí phát triển HTĐ 1 Nhập khẩu điện: 36-65 tỷ kWh/năm (2020); 4.5-5Uscent/kWh Các nước trong khu vực có tiềm năng thủy điện lớn; Tránh được đầu tư; giảm ô nhiễm môi trường Khả năng nhập hạn chế, nhập siêu từ 1.6-2.9 tỷ USD/năm (2020) Thay 2000MW ĐHN bằng nhập khẩu điện sẽ làm tăng 928 triệu USD 2 Nhập khẩu khí đường ống: 7-13 tỷ m3/năm (2020); xây dựng 6000-11000MW nhiệt điện khí; giá khí nhập 3.2-3.6USD/tr.BUT Khoảng từ 2016-2018 sẽ hình thành đường ống khí liên ASEAN Cần bù vào các mỏ khí của ta đã đến cuối đời dự án; thị trường hạn chế; nhập siêu 1-1.7 tỷ USD/năm (2020) và 3.9-6.7 tỷ USD/năm (2030); khó vượt qua 4-5 tỷ m3 Thay 2000MW ĐHN bằng nhiệt điện khí sẽ làm tăng 598 triệu USD 3 Nhập khẩu khí hóa lỏng LNG: 6.4-11.5 triệu tấn/năm; giá 4-4.3USD/tr.BUT Có thị trường LNG; có thể dự trữ như than dầu Phụ thuộc giá dầu mỏ; giá nhiên liệu cao 1.25 lần so với khí đường ống làm cho giá thành điện cao, tăng cường nhập siêu 1.3-2.4 tỷ USD Thay 2000MW ĐHN bằng nhiệt điện khí hóa lỏng sẽ làm tăng 1162 triệu USD 4 Phát triển điện từ năng lượng mới: Gió, địa nhiệt, mặt trời, sinh khối Có thể đưa điện tới vùng xa, hải đảo Giá thành điện cao, tiềm năng hạn chế, phị thuộc điều kiện tự nhiên, không thể cân đối lớn 5 Tiết kiệm năng lượng Đã áp dụng khi tính toán nhu cầu năng lượng dài hạn VN chậm sau các nước trong khu vực và thế giới, cần đầu tư các công nghệ mới bên cạnh các biên pháp quản lý 6 Nhập khẩu than: 16-29 triệu tấn/năm (2020); xây dựng 7000-13000MW nhiệt điện than; giá than nhập trên 40USD/tấn Có thi trường Úc và Indonesia Địa điểm; ô nhiễm môi trường; nhập siêu 0.65-1.17 tỷ USD/năm (2020) và 1.7-3.1 tỷ USD/năm (2030) Thay 2000MW ĐHN bằng nhiệt điện than sẽ làm tăng 627 triệu USD 7 Tổng hòa cân đối theo phương án cơ sở và cao: Năng lượng mới 2-3 tỷ kWh Nhập than 0-15 triệu tấn Nhập điện: 17-23 TWh Nhập khí: 1.6-1.9 tỷ m3 ĐHN: 2000-4000 MW Ổn định cung cấp; tăng an ninh năng lượng; giảm chi phí kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường; có tiềm năng tham gia CMD; nâng cao tiềm lực khoa học công nghệ và công nghiệp Thu xếp tài chính, vấn đề đào tạo cán bộ; các lo lắng của công chúng về an toàn,thải phóng xạ và các xu thế khác nhau trên thế giới trong phát triển ĐHN thời gian vừa qua Đầu tư 2000MW ĐHN khoảng 3.2 tỷ USD III. Phaùt trieån naêng löôïng haït nhaân ôû Vieät Nam Söï caàn thieát phaùt trieån ñieän haït nhaân ôû Vieät Nam Phaùt trieån ñieän haït nhaân cung caáp naêng löôïng oån ñònh. Nhieân lieäu hoaù thaïch nhö daàu moû, khí ñoát phaàn lôùn naêm ôû khu vöïc Trung Ñoâng vaø LB Nga, laø nhöõng nôi baát oån veà chính trò. Trong khi ñoù, nhieân lieäu haït nhaân ñöôïc cung caáp chuû yeáu töø UÙc vaø Canada, laø nhöõng quoác gia khaù oån ñònh.Maëc khaùc, nhieân lieäu hoaù thaïch ñaõ saép caïn kieät: than coøn söû duïng ñöôïc khoaûng chöøng 20 naêm, daàu thoâ coøn ñöôïc 40 naêm, khí ñoát coøn ñöôïc 60 naêm. Tröõ löôïng Urani thì khaù phong phuù, coù theå söû duïng ñöôïc nhieàu naêm. Ngoaøi ra coøn coù Thori nhieàu gaáp 3 laàn so vôùi urani. Ñaây cuõng laø moät nguyeân lieäu trong saûn xuaát ñieän haït nhaân ñang ñöôïc nghieân cöùu phaùt trieån ñeå öùng duïng. Giaù ñieän haït nhaân oån ñònh hôn nhieàu so vôùi giaù ñien ñöôïc saûn xuaát töø nhieâu lieäu hoaù thaïch. Neáu giaù nhieân lieäu taêng hai laàn thì ÑHN taêng 2-4%, trong khi ñieän khí taêng 60-70%. Nhaø maùy ÑHN vaãn coù theå hoaït ñoäng trong voøng 1 naêm maø khoâng caàn cung caâp theâm nhieân lieäu. Ñoái vôùi nhaø maùy ñieän haït nhaân, löôïng nhieân lieäu tieâu thuï haèng naêm khaù ít. Moät nhaø maùy ñieän coâng suaát 1000 MW, neáu chaïy than caàn 2,6 trieäu taán than/naêm, coøn duøng NLHN chæ caàn 30 taán nhieân lieäu. Do ñoù, coù theå döï tröõ nhieân lieäu duøng ñöôïc trong nhieàu naêm. Ñieän haït nhaân laø nguoàn naêng löôïng saïch. Ñieän haït nhaân khoâng phaùt khí thaûi oâ nhieãm nhö caùc nhaø maùy ñieän khaùc. Nhaø maùy ñieän than 1000MW: thaûi 320.000 taán tro, 44000 taán SOx, 22000 taán NOx, 6 trieäu taán CO2 trong moät naêm. Coâng ngheä hieän ñaïi coù theå kieåm soaùt ñöôïc caùc chaát thaûi haït nhaân moät caùch an toaøn, caùc söï coá nhö Chernobyl haàu nhö khoù coù theå xaûy ra. Phaùt trieån ñieän haït nhaân thuùc ñaåy coâng nghieäp trong nöôùc phaùt trieån, daãn ñeán phaùt trieån cô sôû haï taàng, ñaøo taïo ñoäi nguõ caùn boä khoa hoïc kyõ thuaät vaø ñoäi nguõ coâng nhaân vôùi trình ñoä kyõ thuaät cao, thuùc ñaåy söï phaùt trieån caùc cô quan nghieân cöùu vaø nhieàu ngaønh coâng nghieäp, xaây döïng. Phaùt trieån ñieän haït nhaân laø khaû thi ñoái vôùi Vieät Nam Hieän nay, naêng löïc cung caáp nhaø maùy ñieän haït nhaân cuûa caùc coâng ty, taäp ñoaøn ñieän haït nhaân treân theá giôùi coøn dö thöøa, neân hoï raát mong muoán ñöôïc hôïp taùc vôùi Vieät Nam trong xaây döïng nhaø maùy ñieän haït nhaân. Do ñoù, chuùng ta coù nhieàu khaû naêng löïa choïn. Veà ñòa ñieåm xaây döïng, chuùng ta raát nhieàu vò trí ñuû ñieàu kieän xaây döïng nhaø maùy ñieän haït nhaân döï treân caùc tieâu chí veà ñòa chaát, ñòa hình, khí töôïng, thuyû vaên, khaû naêng cung caáp nöôùc ngoït vaø nöôùc laøm maùt cho nhaø maùy, khaû naêng vaän chuyeån caùc thuyeát bò sieâu tröôøng, sieâu troïng. Ñòa ñieåm ñöôïc löïa choïn ñaët nhaø maùy ñieän haït nhaân ñaàu tieân laø thoân Vónh Tröôøng, xaõ Phöôùc Dinh, huyeän Ninh Phöôùc, tænh Ninh Thuaän, caùch thò xaõ Phan Ranh 20 km veà phía nam vaø caùch thaønh phoá Hoà Chí Minh 300 km. Ñòa ñieåm naøy coù ñòa hình thuaän lôïi ñuû dieän tích xaây döïng nhaø maùy ñieän haït nhaân vôùi 4 toå maùy coâng suaât moãi toå maùy 1000 MW trôû leân. Khaû naêng xaây laép vaø quaûn lyù an toaøn döï aùn nhaø maùy ñieän haït nhaân ñaàu tieân seõ ñöôïc söï hôïp taùc giuùp ñôõ cuûa ñoái taùc nöôùc ngoaøi. Chuùng ta seõ aùp duïng phöông thöùc hôïp ñoàng chìa khoaù trao tay vôùi ñoái taùc nöôùc ngoaøi. Ñaây laø moät böôùc ñi cuûa caùc nöôùc nhaän chuyeån giao coâng ngheä veà ñieän haït nhaân töø nöôùc ngoaøi vaøo nhö Haøn Quoác, Nhaät Baûn, Trung Quoác... Noù laø ñieàu kieän ñeå ñaûm baûo an toaøn trong xaây döïng vaø quaûn lyù döï aùn nhaø maùy ñieän haït nhaân ñaàu tieân khi caùc coøn chöa coù kinh nghieäm. Xaây döïng chöông trình daøi haïn phaùt trieån ñieän haït nhaân Quy hoaïch vaø keá hoaïch phaùt trieån caùc nhaø maùy ñieän haït nhaân: Thöïc hieän quy hoaïch phaùt trieån nguoàn ñieän, trong ñoù coù vieäc laäp keá hoaïch xaây döïng caùc nhaø maùy ñieän haït nhaân, ñaûm baûo ñeán naêm 2025 ñieän haït nhaân chieám tyû leä 11% vaø ñeán naêm 2040-2050 ñieän haït nhaân chieám tyû leä 25 - 30% toång saûn löôïng ñieän quoác gia; quy hoaïch vaø löïa choïn ñòa ñieåm xaây döïng caùc nhaø maùy ñieän haït nhaân vaø caùc cô sôû quoác gia löu tröõ chaát thaûi phoùng xaï. Ñaûm baûo an toaøn haït nhaân: Ñeå ñaûm baûo vieäc tuaân thuû caùc yeâu caàu ngaët ngheøo veà an toaøn, caàn phaûi xaây döïng khuoân khoå phaùp lyù vaø thaønh laäp cô quan thaåm quyeàn quoác gia ñeå quaûn lyù va thi haønh luaät NLHN (döï kieán ban haønh naêm 2007). Ban haønh luaät veà traùch nhieäm boài thöôøng thieät haïi ñoái vôùi toån thaát do tai naïn böùc xaï vaø haït nhaân. Luaät ñoù nhaèm ñaûm baûo coù ñuû nguoàn löïc taøi chính thoaû ñaùng ñeå boài hoaøn nhöõng thieät haïi coù theå xaûy ra do hoaït ñoäng cuûa caùc cô sôû haït nhaân. Thieát laäp khuoân khoå phaùp lyù cho caùc tieâu chuaån vaø quy phaïm coâng nghieäp. Thöïc hieän moät chöông trình thanh tra nhaèm ñaûm baûo söï tuaân thuû luaät leä vaø caùc quy ñònh hieän haønh. Thieát laäp cô cheá theo doõi söï tuaân thuû luaät leä, quy ñònh veà ñaûm baûo an toaøn. Xaây döïng tieâu chuaån an toaøn haït nhaân laøm cô sôû cho coâng taùc quaûn lyù caùc nhaø maùy ñieän haït nhaân vaø caùc hoaït ñoäng coù lieân quan, vaø taïo khuoân khoå tieâu chuaån cho vieäc phaân tích vaø ñaùnh giaù an toaøn. Tieán haønh caùc thuû tuïc caáp pheùp cho caùc cô sôû haït nhaân. Hoaït ñoäng nghieân cöùu trieån khai vaø hoã trôï kyõ thuaät: Nghieân cöùu vaø phaùt trieån (R&D) vaø hoã trôï kyõ thuaät coù vai troø tích cöïc vaø quan troïng trong vieäc thöïc hieän chöông trình ñieän haït nhaân quoác gia. Noäi dung cuûa hoaït ñoäng naøy bao goàm: Nghieân cöùu coâng ngheä ñieän haït nhaân ñeå coù theå tö vaán cho Chính phuû trong vieäc löïa choïn coâng ngheä cho nhaø maùy ñieän haït nhaân cuûa Vieät Nam; laøm chuû vaø aùp duïng caùc coâng ngheä seõ ñöôïc chuyeån giao; nghieân cöùu phaùt trieån coâng ngheä bao goàm caû vieäc theo kòp nhöõng söï thay ñoåi vaø aùp duïng coâng ngheä môùi. Nghieân cöùu caùc vaán ñeà an toaøn haït nhaân ñeå coù theå tham gia phaân tích, ñaùnh giaù, thaåm ñònh an toaøn ôû caùc coâng ñoaïn khaùc nhau cuûa nhaø maùy ñieän haït nhaân nhö thieát keá, löïa choïn ñòa ñieåm, xaây döïng, vaän haønh, baûo döôõng. Thoâng tin tuyeân truyeàn veà haït nhaân nhaèm cung caáp thoâng tin ñaày ñuû vaø thöôøng xuyeân cho coâng chuùng, cho caùc phöông tieän thoâng tin ñaïi chuùng vaø nhöõng phöông tieän taïo dö luaän khaùc sao cho thuùc ñaåy söï hieåu bieát roäng raõi veà söï caàn thieât vaø lôïi ích cuûa ñieän haït nhaân vaø tranh thuû söï uûng hoä ñoái vôùi chöông trình phaùt trieån ñieän haït nhaân. Hoã trôï cho coâng nghieäp trong nöôùc naâng cao trình ñoä caàn thieát ñeå ñaït ñöôïc caùc chæ tieâu ñoùng goùp toái ña cuûa coâng nghieäp trong nöôùc vaøo vieäc xaây döïng nhaø maùy ñieän haït nhaân. Ñaây laø yeáu toá raát quan troïng. Neáu khoâng laøm ñöôïc ñieàu naøy thì ñieän haït nhaân khoâng theå ñöôïc coi laø moät giaûi phaùp naêng löôïng hieän thöïc. Phoå bieán nhöõng coâng ngheä ñaõ tieáp thu ñöôïc cho caùc ngaønh coâng nghieäp quoác gia. Duy trì söï hôïp taùc tích cöïc vôùi caùc toå chöùc R&D höõu quan ôû caùc quoác gia khaùc ñeå trao ñoåi vaø hoïc hoûi kinh nghieäm. Hôïp taùc vôùi caùc toå chöùc caù nhaân ñang tham gia giaûng daïy vaø nghieân cöùu taïi caùc tröôøng ñaïi hoïc vaø vieän nghieân cöùu ñeå coù theå tieáp caän kòp thôøi vôùi caùc coâng ngheä môùi. Cung caáp dòch vuï tö vaán chuyeân gia veà nhöõng vaán ñeà naûy sinh vaø nhöõng thieát bò, dòch vuï kieåm ñònh caàn thieát ñeå ñaùnh giaù tính chaát vaät lieäu vaø chaät löôïng cuûa caùc caáu kieän, cuõng nhö phaân tích kyõ thuaät ñeå chaån ñoaùn vaán ñeà trong xaây döïng, quaûn lyù vaø vaän haønh nhaø maùy ñieän haït nhaân. Nghieân cöùu chu trình nhieân lieäu haït nhaân vaø quaûn lyù chaát thaûi phoùng xaï: Noùi chung nghieân cöùu chu trình nhieân lieäu haït nhaân vaø quaûn lyù chaát thaûi phoùng xaï bao goàm caû vieäc nghieân cöùu thaêm gioø vaø khai thaùc quaëng uran, saûn xuaát uran töï nhieân, chuyeån hoaù vaø laøm giaøu U-235, cheá taïo thanh nhieân lieäu, taùi cheá nhieân lieäu vaø xöû lyù chaát thaûi. Ñoái vôùi nöôùc ta, vieäc laøm giaøu U-235, xöû lyù vaø taùi cheá nhieân lieäu ñaõ chaùy seõ chöa ñöôïc ñaët ra nghieân cöùu hieän nay. Do ñoù, nghieân cöùu veà nhieân lieäu seõ chæ goàm 2 nhieâm vuï sau: Chuaån bò chöông trình noäi ñòa hoaù saûn xuaát thanh nhieân lieäu töø urani nhaäp khaåu vaø nghieân cöùu söû duïng thöông maïi taøi nguyeân urani trong nöôùc. Huaán luyeän vaø ñaøo taïo caùn boä: Ñaøo taïo ñoäi nguõ caùn boä cho phaùt trieån NLNT laø moät vaán ñeà coù yù nghóa heát söùc quan troïng. Chöông trình ñieän haït nhaân quoác gia ñoøi hoûi moät soá löôïng lôùn nhaân löïc cho caû chöông trình daøi haïn vaø cho caû caùc döï aùn xaây döïng nhöõng nhaø maùy ñieän haït nhaân cuï theå. Vieät Nam trong maáy chuïc naêm qua ñaõ ñaøo taïo ñöôïc moät löïc löôïng caùn boä ban ñaàu, tuy nhieân löïc löôïng ñoù cho ñeán nay chöa theå ñaùp öùng ñöôïc ñaày ñuû caùc yeâu caàu thöïc hieän chöông trình ñieän haït nhaân quoác gia. Tröôùc heát veà soá löôïng coøn raát nhoû, laïi phaân taùn vaø ñang suy giaûm. Vì vaäy vieäc caáp baùch ñaàu tieân laø phaûi thaønh laäp Ban chæ ñaïo quoác gia veà ñaøo taïo phaùt trieån nguoàn nhaân löïc cho ñieän haït nhaân vaø xaây döïng quy hoaïch toång theå veà chuaån bò nhaân löïc cho chöong trình ñieän haït nhaân quoác gia. Trong quy hoaïch caàn laøm roõ keá hoaïch, chæ tieâu, phöông thöùc ñaøo taïo ñeå ñaûm baûo nhu caàu caùn boä cho caùc cô quan khaùc nhau tham gia trong Chöông trình ñieän haït nhaân. Taêng cöôøng naêng löïc cho caùc cô sôû ñaøo taïo caùn boä veà ñieän haït nhaân bao goàm caùc tröôøng ñaïi hoïc vaø trung taâm ñaøo taïo chuyeân ngaønh taïi Vieän naêng löôïng nguyeân töû Vieät Nam. Naâng cao naêng löïc cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp trong nöôùc: Ñeå ñaït ñöôïc söï tham gia toái ña cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp trong nöôùc vaøo vieäc thöïc hieän döï aùn Xaây döïng nhaø maùy ñieän haït nhaân keå töø döï aùn ñaàu tieân, phaûi xaây döïng chöông trình naâng cao naêng löïc cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp trong nöôùc. Töø nay ñeân naêm 2015, chöông trình taäp trung vaøo vieäc xaây döïng cô cheá, chính saùch thuùc ñaåy söï tham gia cuûa caùc ngaønh coâng nghieäp trong nöôùc vaø naâng cao naêng löïc thieát keá, cheá taïo thieát bò, vaät tö vaø saûn xuaát vaät lieäu xaây döïng. Treân cô sôû ñoù, huy ñoäng caùc ngaønh coâng nghieäp trong nöôùc tham gia cung caáp theùp xaây döïng, theùp caáu truùc, caùc vaät lieäu xaây döïng, heä thieát bò trao ñoåi nhieät, caùc bình chöùa, ñöôøng oáng, caùp ñieän, heä thoáng chieáu saùng cho Döï aùn nhaø maùy ñieän haït nhaân ñaàu tieân. Ñoàng thôøi tham gia caùc hoaït ñoäng quaûn lyù döï aùn, thaåm ñònh thieát keá kyõ thuaät, ñaûm baûo vaø kieåm tra chaát löôïng, vaän chuyeån caùc thieát bò sieâu tröôøng, sieâu troïng, xaây laép, kieåm tra thieát bò… Hôïp taùc quoác teá: Nhieäm vuï cuûa coâng taùc hôïp taùc quoác teá trong lónh vöïc ñieän haït nhaân laø phaûi laøm cho coäng ñoàng quoác teá tin töôûng vaøo chính saùch nhaát quaùn cuûa chính phuû Vieät Nam veà phaùt trieån ñieän haït nhaân vì muïc ñích hoaø bình ñeå taïo ñieàu kieän cho vieäc chuyeån giao tri thöùc, coâng ngheä vaø ñaàu tö vaøo Vieät Nam. Toå chöùc thöïc hieän ñaày ñuû caùc coâng öôùc vaø ñieàu öôùc quoác teá ñaõ kyù keát, tích cöïc nghieân cöùu tham gia caùc coâng öôùc vaø ñieàu öôùc quoác teá khaùc coù lieân quan ñeán haït nhaân. Hôïp taùc chaët cheõ vaø toaøn dieän vôùi cô quan naêng löôïng nguyeân töû quoác teá (IAEA). Ñaåy maïnh caùc hôïp taùc ña phöông vaø song phöông vôùi caùc nöôùc vaø caùc toå chöùc quoác teá, taïo moâi tröôøng thuaän lôïi nhaát ñeå khai thaùc toái ña kinh nghieäm vaø söï trôï giuùp cuûa caùc nöôùc tieân tieán. Phần II: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ SỐ LIỆU BAN ĐẦU Nhà máy cung cấp cho các phụ tải: 220 kV : công suất max 147 MW, công suất min 114 MW, hệ số công suất 0.81 bằng 8 đường dây. 110 kV : công suất max 150 MW, công suất min 84 MW, hệ số công suất 0.84 bằng 7 đường dây. 22 kV : công suất max 33 MW, công suất min 23 MW, hệ số công suất 0.82 bằng 6 đường dây. Ngoài việc cung cấp cho các phụ tải trên, nhà máy còn có nhiệm vụ cung cấp cho hệ thống 1300000 MWh/năm. Tự dùng nhà máy 5%. Nhà máy nối với hệ thống có công suất 6500 MW, XHT = 0.13, bằng hai đường dây dài 160 km ở cấp điện áp 220 kV, hệ số công suất của hệ thống: 0.84, dự trữ hệ thống 10% NHIỆM VỤ: Xây dựng đồ thị phụ tải các cấp điện áp 220kV, 110kV, 22kV, phát về hệ thống, tự dùng. Chọn số lượng và công suất các tổ máy phát. Lập các phương án nối điện chính và chọn hai phương án hợp lý nhất. Thiết lập chế độ vận hành cho các tổ máy. Chọn máy biến áp. Tính toán ngắn mạch. Tính toán tổn thất công suất các máy biến áp. Chọn các khí cụ điện chính. Chọn sơ đồ nối điện cho thiết bị phân phối. Chọn phương án tối ưu. Chọn các thiết bị điện. Tính toán tự dùng. Lựa chọn thiết bị cho tự dùng. Chọn sơ đồ tự dùng. Vẽ sơ đồ nguyên lý phần điện. Vẽ mặt bằng và mặt cắt trạm 220kV. Vẽ mặt bằng và mặt cắt trạm 110kV. Vẽ mặt bằng và mặt cắt toàn nhà máy. CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI ĐỒ THỊ PHỤ TẢI CẤP ĐIỆN ÁP 220kV Ở cấp điện áp 220kV ta có Pmax = 147(MW) ; Pmin = 114(MW) ; cosφ = 0.81 .Từ đó ta có thể tính được : Smax= Pmaxcosφ=1470.81=181.5 (MVA) Smin= Pmincosφ=1140.81=140.7 (MVA Bảng 1.1: Bảng phân phối phụ tải cấp điện áp 220kV t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 S (MVA) 140.7 145 155 160.5 165.6 181.5 160 Hình 1.1: Đồ thị phụ tải cấp điện áp 220 kV ĐỒ THỊ PHỤ TẢI CẤP ĐIỆN ÁP 110kV Cấp điện áp 110kV , Pmax = 150(MW) ; Pmin = 84(MW) ; cosφ = 0.84 .Từ đó ta có thể tính được : Smax= Pmaxcosφ=1500.84=178.6 (MVA) Smin= Pmincosφ=840.84=100 (MVA Bảng 1.2 : Bảng phân phối phụ tải cấp điện áp 110kV t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 S (MVA) 100 120 134.2 141 160 178.6 135 Hình 1.2: Đồ thị phụ tải cấp điện áp 110kV ĐỒ THỊ PHỤ TẢI CẤP ĐIỆN ÁP 22kV Cấp điện áp 110kV , Pmax = 33(MW) ; Pmin = 23(MW) ; cosφ = 0.82 .Từ đó ta có thể tính được : Smax= Pmaxcosφ=330.82=40.24 (MVA) Smin= Pmincosφ=230.82=28.04 (MVA Bảng 1.3: Bảng phân bố phụ tải cấp điện áp 22kV t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 S (MVA) 28.04 30 35 38 40.24 37 34.2 Hình 1.3: Đồ thị phụ tải cấp điện áp 22kV Đồ thị phụ tải phát về hệ thống Nhà máy cần thiết kế ngoài việc cung cấp cho các phụ tải trên còn có nhiệm vụ cung cấp cho hệ thống 1300000 ( MWh/năm), hệ số công suất của hệ thống 0.84. Công suất trung bình nhà máy phát về hệ thống trong một giờ : Ptb= Anăm365x24= 1300000365x24=148.4 (MW) Suy ra : Stb= Ptbcosφ= 148.40.84=176.67 (MW) Ta xây dựng đồ thị phụ tải phát về hệ thống dựa trên cơ sở san phẳng đồ thị phụ tải , mục đích để đồ thị phụ tải tổng tương đối phẳng . Bảng 1.4 : Bảng phân bố công suất nhà máy phát về hệ thống . t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 S (MVA) 242 215.6 185.5 160.7 140.16 115.8 160.2 P (MW) 203.28 181.104 155.82 134.988 117.7344 97.272 134.568 A (MWh) 1016.4 543.312 623.28 269.976 353.2032 486.36 269.136 Thử lại ta có : A=1016.4*5+543.312*3+623.28*4+269.976*2+353.2032*3+486.36+269.136*2=1300009 (MWh) Hình 1.4: Đồ thị phụ tải nhà máy phát về hệ thống Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy. Tổng hợp phụ tải của cấp điện áp 220kV , 110kV,22kV và công suất phất về hệ thống , ta có được tổng phụ tải của nhà máy khi chưa tính đến tự dùng : Bảng 1.5: Bảng phân bố công suất tổng của nhà máy khi chưa tính đến tự dùng t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 S220kV 140.7 145 155 160.5 165.6 181.5 160 S110kV 100 120 134.2 141 160 178.6 135 S22kV 28.04 30 35 38 40.24 37 34.2 Shệ thống 242 215.6 185.5 160.7 140.16 115.8 160.2 St (MVA) 510.74 510.6 509.7 500.2 506 512.9 489.4 Tự dùng nhà máy là 5%, từ đó ta có công suất tự dùng của nhà máy : Stự dùng= ∝*Sđặt*(0.4+0.6*StSđặt) Chọn Sđặt = 550 ( MVA) . Ta có bảng số liệu 1.6 Bảng 1.6: Bảng phân bố công suất tự dùng của nhà máy t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 St (MVA) 510.74 510.6 509.7 500.2 506 512.9 489.4 Std (MVA) 26.3222 26.318 26.291 26.006 26.18 26.387 25.682 Hình 1.5: Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy điện Tổng hợp đồ thị phụ tải của nhà máy điện Stổng = Stổng chưa tính tự dùng + Stự dùng Bảng 1.7: bảng phân bố công suất phụ tải tổng của nhà máy t (h) 0®5 5®8 8®12 12®14 14®17 17®22 22®24 St (MVA) 510.74 510.6 509.7 500.2 506 512.9 489.4 Std (MVA) 26.3222 26.318 26.291 26.006 26.18 26.387 25.682 S (MVA) 537.06 536.92 535.99 526.21 532.18 539.29 515.08 Hình 1.6: Đồ thị phụ tải tổng hợp của nhà máy điện CHƯƠNG 2 : SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN Chọn số lượng và công suất tổ máy phát Khi chọn số lượng và công suất các tổ máy ta cần lưu ý: Công suất một máy phát không được lớn hơn công suất dự trữ của hệ thống vì khi một máy phát bị sự cố thì công suất thiếu hụt sẽ được thay thế bằng công suất dự trữ của hệ thống. Công suất của máy càng lớn thì vốn đầu tư, tiêu hao nhiên liệu để sản xuất ra một đơn vị điện năng và chi phí vận hành hằng năm càng nhỏ, điều đó có nghĩa tổ máy có công suất càng lớn thì càng có hiệu suất cao. Nên chọn công suất tổ máy giống nhau, điều này sẽ thuận lợi khi xây lắp sửa chữa, thay thế cũng như vận hành. Khi điện áp máy phát phù hợp với điện áp phụ tải, khi đó, việc chọn sơ đồ nối điện chính sẽ thuận lợi và kinh tế hơn. Điện áp định mức của máy phát càng lớn thì dòng điện định mức, dòng điện ngắn mạch ở cấp này sẽ nhỏ và do đó dễ dàng chọn các khí cụ điện. Theo tính toán ở Chương 1 , nhà máy điện mà ta cần thiết kế có công suất 550 ( MVA ), sẽ có các phương án chọn máy phát sau : Bản 2.1: Các phương án chọn lựa máy phát . ( tra tài liệu [1, phụ lục 2.1 , trang 205]) Phương án Loại máy phát Sđm (MVA) Uđm (kV) Số tổ máy Công suất tổng (MVA) 1 TBB-160-2EY3 188 18 3 564 2 TBΦ-140-2EY3 137.5 10.5 4 550 Ta lựa chọn phương án 2 để tính toán thiết kế vì công suất của tổ máy đúng với công suất đặt yêu cầu đưa ra , số lượng tổ máy nhiều nên khi vận hành dễ dàng thay thế khi một máy nghỉ do sự cố hay cho nghỉ một tổ máy khi phụ tải cực tiểu . Bảng 2.2: Bảng thông số máy phát TBΦ-140-2EY3 ( tra tài liệu[1, phụ lục 2.1 trang 205-209]) n (v/ph) S (MVA) P (MW) U (kV) cosj I (kA) 3000 137.5 110 10.5 0.8 7.56 0.189 0.271 2.04 Ta có Smf chọn bằng với Sđặt nên không cần tính lại phân bố công suất tự dùng . Sơ đồ nối điện chính của nhà máy Các yêu cầu đặt ra khi chọn sơ đồ cấu trúc Đảm bảo liên hệ chặt chẽ giữa các cấp điện áp đặc biệt với hệ thống khi bình thường cũng như cưỡng bức (có một phần tử không làm việc được). Phân bố công suất cho các cấp điện áp phải hợp lý, tránh trường hợp cung cấp cho phụ tải qua hai lần biến áp không cần thiết. Số lượng máy phát nối vào thanh góp điện áp máy phát phải thỏa mãn điều kiện sao cho khi ngừng làm việc một máy phát điện lớn nhất, các máy phát còn lại và công suất dự trữ từ các nguồn khác vẫn đảm bảo đủ cung