TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

Giảng viên hướng dẫn : Thầy Trương Trường Sơn
Sinh viên thực hiện: Lại Thị trúc Phương
Võ Thị Thanh Uyên
Huỳnh Chí Dũng
Trần Bá Tín
Thành phố Hồ Chí minh
Tháng 11 năm 2010
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Mục lục
I. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 2
II. Cấu tạo lò BWR 7
III. Cấu tạo lò PWR 12
IV. Cấu tạo của lò CANDU 18
Tài liệu tham khảo 23
I.
I.
Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
I.1. Thế hệ lò phản ứng hạt nhân đầu tiên
Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất được xây dựng vào những năm 1955-
1965, tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vương
quốc Anh bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những
năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport của Mỹ; Dresden-1, Calder Hall-1,
Magnox của Anh hay UNGG của Pháp. Phần lớn chúng đều đã hoặc đang được
tháo dỡ do đã trở nên lỗi thời không còn hiệu quả cao và mức đảm bảo an toàn
thấp. Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được
phát triển để sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu có
công suất khoảng 5.000 KW.

I.4. Lò hạt nhân thế hệ III+
Là thế hệ lò phản ứng được trang bị những cải tiến về tính kinh tế và mức
độ an toàn cao hơn thế hệ III.
Ưu điểm của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III so với các thế hệ trước là
khả năng xảy ra sự cố ít hơn, khả năng sinh lãi lớn hơn do công suất được tăng
lên tới 1600 MW và sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn. Mỗi lò phản ứng thế hệ
III sẽ giúp tiết kiệm 2 tỉ m
3
khí đốt mỗi năm và góp phần giảm tới 11 triệu tấn
khí thải CO
2
so với việc sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống. Ngoài ra giá
thành sản xuất điện bằng lò này rẻ hơn 30-50% so với sản xuất điện tại các nhà
máy nhiệt điện.
Nhưng mặc dù các lò thế hệ III mới ra đời, nó lại được nhiều chuyên gia
xem như đã lỗi thời vì cùng một kỹ thuật với các lò PWR. Giá thành xây dựng
của các loại lò này thường cao hơn các loại thế hệ II khoảng 1,5 đến 2 lần (đơn
giá cho 1 KW công suất khoảng 6.000 USD). Và chính điều đó đã thúc đẩy các
nhà khoa học tiến tới các chương trình nghiên cứu về thế hệ lò phản ứng mới
cho hiệu quả tối ưu hơn.
I.5. Lò hạt nhân thế hệ IV
Lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV đang được 10 nước chung sức nghiên cứu
trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề
xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò Neutron nhanh, 3 lò Neutron nhiệt) đã
được lựa chọn.
Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò
phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu
chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế
chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử.
Vì đang còn trong thời kỳ phôi thai, nên phần lớn các lò này, trên lý

Các lò phản ứng dạng PHWR sử dụng nước nặng (đơteri oxit D
2
O) để
làm mát và điều phối nhiệt lượng. Nước nặng được giữ dưới áp lực để làm
nóng mà không cần đun sôi. Chi phí sản xuất bằng nước nặng cao hơn so với
chi phí sản xuất bằng nước nhẹ nhưng nó lại cho phép các lò phản ứng có thể
hoạt động mà không có cơ sở làm giàu nhiên liệu (làm giàu uranium). Nó được
Trang 5
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
xem như là phương thức để nâng cao năng lực cho các lò phản ứng khi sử dụng
các chu trình nhiên liệu thay thế.
Nó được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân sản xuất điện hạt nhân từ
nhiên liệu hạt nhân. Nhà máy điện hạt nhân nước nặng đầu tiên trên thế giới là
nhà máy điện hạt nhân CANDU của Canada được xây dựng bởi AECL.
 Tương lai và rủi ro cho ngành điện thế giới
Theo tính toán của Cơ quan Năng lượng Thế giới, tới năm 2050 nhu cầu
sử dụng điện của thế giới sẽ tăng lên gấp 3 lần so với hiện tại. Mức nhu cầu
tiêu thụ ghê gớm đó không thể được đáp ứng đủ bằng các nguồn “năng lượng
mới” như gió, mặt trời mặc dù các nguồn này có thể đóng vai trò quan trọng ở
một số vùng nào đó.
Bên cạnh đó, các nguồn nguyên liệu truyền thống để sản xuất điện như
than và nước đang ngày càng trở nên cạn dần do sự khai thác quá mức của con
người và biến đổi khí hậu làm các nguồn nước trở nên cạn dần. Lượng khí thải
lớn của các nhà máy này thải ra hàng ngày phá hoại bầu khí quyển Trái đất
cũng đang làm đau đầu các tổ chức môi trường thế giới.
Những nhà máy điện hạt nhân sẽ là phiên bản thay thế hiệu quả cho nhu
cầu điện của thế giới trong tương lai gần bởi khả năng cung cấp nguồn điện
năng dồi dào, không thải khí độc hại vào bầu khí quyển, công nghệ ngày càng
phát triển giúp tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sản xuất. Mức độ an toàn
ngày càng được nâng cao. Các nhà máy điện hạt nhân sẽ giúp tiết kiệm được

được làm giàu 3%. Uranium được nén
lại từng viên nhỏ Uranium dioxide
hình trụ, mỗi viên cao khoảng 0,5 inch
(1,27 cm), đường kính 0,487 inch
(1,24 cm). Các viên UO
2
được xếp
chồng lên nhau trong một thanh nhiên
liệu được làm bằng một hợp kim đặc
biệt của Zirconium được gọi là
Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu
được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron. Những thanh nhiên liệu được thiết
kế nhằm ngăn chặn sự rò rỉ các sản phẩm phân hạch và dẫn nhiệt dễ dàng. Các
thanh này gộp lại thành một bó nhiên liệu, mỗi bó gồm 49 thanh nhiên liệu và
trong lò phản ứng có 368 bó nhiên liệu. Như vậy trong một lò phản ứng có
18032 thanh nhiên liệu chứa 178145 pounds(80975 Kg) UO
2
. Nhiệt trung bình
Trang 7
Hình 2. Hệ thống bình
lò phản ứng
Hình 3.Hệ thống thanh nhiên liệu
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558
o
F (292
o
C).(số liệu của lò
BWR Vermont Yankee,năm 1972)
II.3. Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát)

5 3 2
B n Li He
+ → +
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
II.4. Nồi áp lực lò phản ứng(RPV)
Bình áp suất được cấu tạo gồm 3 bộ phận: Một ống hình trụ lớn, nắp bình
và đáy bình áp suất. Vỏ bình được cấu tạo bởi các lớp thép làm bằng những
hợp kim khác nhau. Đường kính bên trong của ống hình trụ là 17,1 feet
(5,21m) và chiều cao của bình áp suất là 63,1 feet (19,2 m), ống hình trụ bao
gồm các lớp lót dầy khoảng 5 inch (13cm) được ghép với nhau; ống hình trụ,
phần đỉnh và phần đáy nặng 757,17 Pound (344,168 kg). Bình lò áp suất được
bọc trong một tòa nhà bảo vệ được thiết kế để vẫn còn nguyên vẹn cho dù bình
lò phản ứng bị vỡ hoặc ống dẫn hơi nước bị vỡ và nó đủ chắc chắn để giữ nước
đầy bên trong cho tới khi nước tràn lên tới các ống bọt nước đặt phía trên lõi lò
phản ứng.
II.5. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng
Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng gồm các ống dẫn và các bơm tuần
hoàn, có vai trò loại bỏ các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm ăn mòn và
những tạp chất ra khỏi nước trước khi cho nước này quay trở lại lõi lò phản
ứng. Bơm làm sạch nước lấy nước từ hệ thống tuần hoàn nước dự trữ trong lõi
lò và nước ở phần đáy bình lò đưa qua bộ phận chuyển nhiệt để làm nguội
Trang 9
Hình 4. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
dòng. Sau đó, nước được chuyển tới bộ phận lọc để làm sạch. Sau khi được làm
sạch, nước được đưa quay trở lại bình lò phản ứng thông qua hệ thống ống dẫn
nước cung cấp.
II.6. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn
Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn. Nước sẽ được bơm
từ ngoài vào một bình chứa. Sau đó nhờ nhừng chiếc bơm tuần hoàn nước sẽ

hấp thụ được ít neutron chậm dẫn đến năng lượng lò phản ứng giảm. như vậy tỉ
số giữa nước và hơi nước tăng sẽ làm tăng sự điều tiết neutron làm tăng năng
lượng sinh ra trong lõi lò.
II.8. Tuabin hơi nước
Hơi nước được tạo ra trong lõi lò phản ứng truyền qua máy tách hơi nước
và những thanh sấy khô đặt phía trên lõi và sau đó đi thẳng tới tuabin, là một
bộ phận trong hệ thống lò phản ứng. Dưới sức ép nước sẽ được bơm tới tuabin,
hơi nước truyền qua van và chỉa vào các cánh quạt của tuabin làm quay tuabin.
Tuabin được gắn với động cơ máy phát điện, khi tuabin quay đồng thời làm
quay động cơ máy phát điện. Sau khi đi qua tuabin hơi nước sẽ được ngưng tụ
và bơm trở lại bình áp suất. Và chu trình lại tiếp tục. Vì hơi nước sau khi thoát
ra khỏi lõi lò thường nhiễm nuclit phóng xạ nên tuabin phải được bảo vệ trong
suốt quá trình hoạt động. Phần lớn những tia phóng xạ trong nước chỉ tồn tại
trong một thời gian rất ngắn (chủ yếu là N-16 có chu kỳ bán rã là 7 giây), nên
thành tuabin phải được bảo trì ngay sau khi lò phản ứng ngưng hoạt động.
II.9. Hệ thống an toàn lò phản ứng
Cũng giống như lò phản ứng nước áp lực, lõi lò phản ứng BWR tiếp tục
sản xuất nhiệt từ việc phân rã phóng xạ sau khi phản ứng phân hạch đã ngừng,
có thể gây ra một sự cố làm hư hỏng lõi. Trong trường hợp tất cả các hệ thống
an toàn đều thất bại và lõi lò phản ứng không nhận được nước làm nguội. Cũng
giống như lò nước áp lực, lò nước sôi có một hệ số chân không âm, do đó
lượng neutron (và nhiệt) thoát ra khỏi lò phản ứng giảm khi tỉ lệ hơi nước và
nước bên trong lò phản ứng tăng. Tuy nhiên không giống như lò PWR, không
chứa hơi nước trong lõi lò phản ứng sự tăng đột ngột áp suất hơi trong lò BWR
Trang 11
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
(ví dụ như gây ra bởi việc khởi động van đường ống cô lập hơi nước với lò
phản ứng (MSIV)) gây ra sự giảm đột ngột tỉ lệ hơi nước với nước ở thể lỏng
bên trong lò phản ứng. Điều đó dẫn đến sự tăng neutron điều tiết, từ đó làm
tăng sản lượng điện của lò phản ứng. Điều này được gọi là “áp suất tức thời”.

C hoặc 554
0
F nó chảy xuống dưới
xung quanh lõi lò ở đó nó hoạt động như vành phản xạ (Có nhiệm vụ làm tăng
số lượng các hạt neutron trong vùng phản ứng, không cho các hạt neutron bắn
ra ngoài, và làm các hạt neutron phân bố đều trong vùng phản ứng ) và tiếp tục
chảy ngược lên phía trên đi qua lõi lò phản ứng để hấp thu nhiệt tỏa ra từ lõi lò
và nước đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ vào khoảng 325
0
C hoặc 617
0
F. Nước
trong lò PWR được giữ ở một áp suất cao vào khoảng xấp xỉ 15 Mpa. Ở áp suất
này thì nước không thể sôi được.
Trang 13
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
III.2. Bộ phận sinh hơi
Do nước không sôi được trong lò phản ứng, nên hơi nước dùng để quay
tuabin phải được tạo ra ở bên ngoài lò và được thực hiện ở bộ phận sinh hơi do
sự trao đổi nhiệt với nước nóng áp suất cao. Hình 6 cho thấy mô hình của một
bộ phận sinh hơi tiêu biểu. Ở áp suất cao nước làm mát được nung nóng từ lò
phản ứng vào bộ phận sinh hơi từ phía dưới và di chuyển lên xuống trong hàng
ngàn những ống có dạng hình chữ U ngược. Bề mặt của những ống này tiếp
xúc với nước có áp suất thấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của
tuabin. Sự truyền nhiệt từ nước nóng trong những ống này sẽ làm cho nước
cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước, khu vực phía dưới trong bộ phận sinh
hơi mà ở đó hơi nước xuất hiện được gọi là khu vực hóa hơi. Hơi nước ẩm ướt
sinh ra từ đây bay lên phía trên của bộ phân sinh hơi gọi là khu vực trụ hơi. Ở
đây hơi nước sẽ được làm khô trong những thiết bị tách hơi ẩm khác nhau
trước khi quay tuabin. Trong những hệ thống lò PWR lớn thì sử dụng tới bốn

Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
nóng chảy. Để tránh điều đó xảy ra chu trình nước tải nhiệt của lò PWR được
trang bị một bình ngăn sự tăng áp suất gọi là bộ điều áp.
Theo hình 8 thì bộ điều áp là bình chứa lần lượt hơi nước ở trên và
nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên và một thiết bị đun nước ở phía dưới
để
điều áp. Thiết bị này hoạt động như sau, giả sử công suất đầu ra của tuabin bị
hạn chế do sự tải điện giảm trong nhà máy điện. Điều này dẫn đến sự tăng nhiệt
độ của nước tải nhiệt trong lò và tương ứng là sự tăng thể tích nước tải nhiệt.
Sự giãn nở của nước sẽ khiến cho mực nước trong bộ điều áp tăng lên và tăng
áp suất của hơi nước và đẩy van vòi phun. Nước từ hệ thống tải nhiệt sẽ được
phun vào ở trên đỉnh của bộ điều áp và ngưng tụ hơi nước. Chính cơ chế này sẽ
Trang 17
Hình 8.Bộ điều áp
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
làm giảm bớt áp suất và hạn chế được sự tăng áp suất. Ngược lại khi sự tải điện
tăng lên sẽ dẫn đến thể tích nước tải nhiệt giảm, làm cho mực nước giảm theo
và gây sự tụt áp suất trong bộ điều áp. Khi đó một lượng nước sẽ được chuyển
thành hơi nước bởi thiết bị đun nước và lần nữa hạn chế sự thay đổi áp suất.
III.5. Tuyếc bin và máy phát điện
Hệ này bao gồm một tuyếc bin
áp lực cao, tiếp theo là 3 tuyếc bin áp
lực thấp và sau cùng là máy phát điện.
Sau khi đi qua hệ tuyếc bin, hơi được
dẫn qua hệ ngưng tụ để trở thành nước
và được dẫn trở lại hệ sinh hơi. Toàn
bộ hệ tuyếc bin và máy phát điện nằm
trải dài hơn 70m. Đường kính của
tuyếc bin có chỗ lớn nhất tới hơn 5m
IV.

bộ phận khác bởi chất truyền nhiệt D
2
O, thế nhưng vẫn còn lại một số ít phần
năng lượng đã bị lắng lại trong phần nước nặng làm chậm trong lõi lò. Cấu tạo
của lõi lò gồm nhiều thanh nhiên liệu nhỏ nên nó cho phép nạp nhiên liệu ngay
cả khi máy đang hoạt động với hiệu suất cao mà không cần phải dập lò, chính
vì thế thời gian sống của lò có thể được kéo dài.
IV.2. Kênh nhiên liệu
Mỗi bó nhiên liệu gồm có 37
thanh. Mỗi thanh chứa 30 viên
hình trụ dioxyt Uranium UO
2
,
vỏ là hợp kim Zircalloy 4 (hợp
Trang 19
Hình 11. Kênh nhiên liệu
Hình 10. Thùng lò
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron,
đồng thời giúp ngăn chặn sự rò rĩ các sản phẩm phân hạch). Những viên UO
2
này có dạng là những viên hình trụ nhỏ có đường kính 8,2 cm và dài khoảng 2
cm. Mỗi bó dài gần 50 cm, đường kính hơn 10 cm, chứa gần 20kg UO
2
. Như
vậy mỗi kênh nhiên liệu dài 6m được nạp 12 bó nhiên liệu và các bó nhiên liệu
được sắp xếp như hình vẽ. Mỗi lò chứa khoảng 380 kênh nhiên liệu với khoảng
108.000 kg nhiên liệu.
Mỗi kênh nhiên liệu được bao bọc bởi một ống áp lực được làm bằng hợp
kim zirconium-niobium, ở giữa ống áp lực và lớp vỏ của kênh nhiên liệu hình

Hình 13. Bộ phận tiếp nhiên liệu
Hình 14. Bộ phận sinh hơi
Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
bộ phận sinh hơi bao gồm vài nghìn ống có đường kính nhỏ Incolloy-800 được
uốn cong thành hình chữ U ngược. Nước nặng sau khi lấy nhiệt lượng từ phản
ứng trong tâm lò sẽ đi vào hệ này và chuyển động theo các ống có hình chữ U
ngược, nước từ hệ thứ cấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của tuabin
sẽ đi vào tiếp xúc với các ống này. Sự truyền nhiệt từ nước nặng trong các ống
chữ U ngược sẽ làm cho nước được cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước.
Hơi nước được tạo ra sẽ bay lên phía trên của bộ phận sinh hơi và tại đây hơi
nước sẽ được tách ẩm trước khi làm quay tuabin. Lò CANDU có 4 bộ sinh hơi
liên kết với nhau với nhiệt độ đi vào của nước nặng truyền nhiệt là 309
o
và đi ra
là 266
o
với áp suất 4,7 MPa. Mỗi bộ có kích thước cao đến hơn 20m, đường
kính từ 3 tới 4m, nặng hơn 300 tấn, đi liền với mỗi bộ sinh hơi là các hệ bơm.
IV.5. Bộ điều áp
Cũng giống như lò PWR, lò CANDU cũng có bộ phận điều áp. Bộ điều áp
là một bình chứa hơi nước ở trên và nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên
và một thiết bị đun nước ở phía dưới để điều áp. Đây là bộ phận dùng để duy trì
áp suất của nước nặng tải nhiệt trong chu trình sơ cấp. Nguyên lý hoạt động của
bộ điều áp của lò CANDU giống với cách hoạt động của bộ điều áp của lò
PWR.
Đặt trường hợp công suất đầu ra của tuabin bị hạn chế do sự tải điện giảm
trong nhà máy điện. Khả năng này có thể dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước
nặng truyền nhiệt trong lò phản ứng, đồng thời làm tăng thể tích nước nặng.
Điều đó dẫn đến mực nước trong bộ điều áp tăng lên đồng thời áp suất của hơi
nước cũng tăng lên, vì thế van vòi phun sẽ bị đẩy lên. Nước nặng từ hệ thống