TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG DÙNG TRONG NHÀ MÁY
ĐIỆN HẠT NHÂN
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ- CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS – Lê Văn Nhạn

Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên
Lớp: SP Vật Lý_CN K34
MSSV: 1087058

Cần Thơ, 2012


MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 1
2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI....................................................................... 2
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................... 3
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................... 3
5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ...................................................................... 3
6. CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI....................................... 4

Phần NỘI DUNG

4.1. Công nghệ PWR – lò phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor) ......... 31
4.1.1. Lịch sử phát triển của PWR............................................................................ 31
4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động...................................................................... 32
4.1.2.1. Cấu tạo................................................................................................. 32
4.1.2.2. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................... 37
4.1.3. Ưu và nhược điểm của công nghệ PWR ......................................................... 39
4.1.3.1 Ưu điểm................................................................................................. 39
4.1.3.2 Khuyết điểm........................................................................................... 39
4.2. Công nghệ BWR – lò phản ứng nước sôi ( Boiling Water Reactor ) .................. 40
4.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ..................................................................... 41
4.2.2. Ưu và nhược điểm của công nghệ BWR......................................................... 45
4.2.2.1. Ưu điểm................................................................................................ 45
4.2.2.2. Nhược điểm .......................................................................................... 45
4.3. Công nghệ lò nước nặng kiểu CANDU ............................................................. 45
4.4. Kết luận ............................................................................................................ 48
Chương 5. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THẾ HỆ MỚI
5.1. Lò phản ứng hạt nhân cải tiến công nghệ Hàn Quốc - Apr1400......................... 49


5.1.1. Về kinh tế....................................................................................................... 49
5.1.2. Hiện trạng công nghệ APR1400 ..................................................................... 49
5.1.3. Đặc tính an toàn chủ yếu của công nghệ APR1400......................................... 50
5.1.4. Làm gì khi tai nạn xảy ra? .............................................................................. 52
5.2. Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) ................................ 54
5.3 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR)....... 55
5.4 Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR)....................................... 56
5.5 Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse............................ 58
5.6 Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR............................................... 59
Chương 6. MỘT SỐ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ
VỀ CÔNG NGHỆ

quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới bắt đầu vận hành năm 1956 và đóng cửa tháng
3/2003. Phát triển điện hạt nhân chủ yếu nhằm mục tiêu phát triển khoa học, công nghệ
và xây dựng tiềm lực hạt nhân bảo đảm an ninh quốc gia.
Ngành điện hạt nhân ngày nay phát triển với một tốc độ nhanh chóng. Ngày càng
có nhiều công nghệ lò phản ứng hạt nhân ra đời. Các cải tiến về công nghệ đã nâng cao
hơn độ an toàn của các nhà máy điện hạt nhân và làm tăng niềm tin của dân chúng vào
nhà máy điện hạt nhân. Nó mang đến cho chúng ta nhiều sự lụa chọn cho chính sách phát
triển điện hạt nhân ở mỗi quốc gia.
Tháng 11/ 2009, quốc hội nước ta đã biểu quyết thông qua chủ trương đầu tư dự án xây
dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận. Đây là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Việt
Nam. Vấn đề được quan tâm nhất hiện nay là an toàn và công nghệ cho nhà máy điện hạt
nhân Ninh Thuận.
Thông qua bài nghiên cứu này, tôi mong muốn sẽ cung cấp một tài liệu bổ ích có tính
khoa học về vấn đề công nghệ lò phản ứng hạt nhân nói chung và công nghệ lò phản ứng
sẽ được triển khai ở Việt Nam nói riêng.

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Để hiểu rõ vấn đề công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân, đầu
tiên ta đi vào nghiên cứu tổng quát về loại công nghê này và tình hình phát triển của nó
trên thế giới hiện nay.
Vậy công nghệ điên hạt nhân này ứng dụng của kiến thức vật lý nào? Điều này sẽ được

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Do không có điều kiện tham quan trực tiếp nhà máy điện hạt nhân nên tôi chỉ tìm
hiểu nhà máy điện hạt nhân thông qua các tài liệu tham khảo và trên Internet.
- Tôi chỉ giới thiệu một số tai nạn hạt nhân liên quan đến khâu thiết kế của nhà
máy.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
4.1. Phương pháp thực hiện đề tài
Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương
pháp sau: nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
4.2 Phương tiện thực hiện đề tài
- Tài liệu tham khảo: sách, báo, bài giảng, khai thác thông tin trên Internet.
- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
- Bước 2: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy
cô, bạn bè.
- Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng
dẫn.
- Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện; tham khảo ý
kiến và chỉnh sửa.
- Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh.
- Bước 6: Báo cáo luận văn.

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 3




Chương 1. VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ
MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
1.1. Nhà máy điện hạt nhân
1.1.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân
Nguyên tắc quan trọng trước hết là không để xảy ra tai nạn. Để làm được điều
này, điều chủ yếu là phòng chống tới mức tối đa những rủi ro có khả năng gây tai nạn
như hỏng hóc hoặc hư hại thiết bị, máy móc.
Thiết kế đầy đủ, chính xác, thực hiện công tác quản lý chất lượng nghiêm ngặt và
kiểm tra theo dõi thường xuyên để đề phòng phát sinh những bất thường và sai sót, hỏng
hóc. Ở nhà máy điện hạt nhân, khi vận hành bình thường thì hầu như không cần những
thao tác trực tiếp của nhân viên, tình trạng các bộ phận của lò phản ứng được tổng hợp và
hiển thị ở phòng điều khiển trung tâm để các nhân viên vận hành có thể thường xuyên
đánh giá tình trạng hoạt động của lò một cách chính xác. Hơn nữa để tránh những thao
tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an toàn, lò phản ứng được thiết kế với hệ
thống an toàn hai lần , hệ thống khóa liên động.
Hệ thống an toàn hai lần là hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên tắc nếu một bộ
phận của hệ thống gặp hỏng hóc thì lập tức chuyển sang trạng thái an toàn.
Hệ thống khóa liên động là hệ thống được thiết kế để phòng chống trục trặc, sự cố
phát sinh do thao tác nhầm lẫn, ví dụ như nhân viên vận hành nhầm lẫn định rút thanh
điều khiển ra thì cũng không thể rút được.
Điều quan trọng tiếp theo là nếu phát sinh trục trặc bất thường thì cũng không để
sự cố lan rộng. Người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Hạn chế hiện nay trong việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân có thể do bốn vấn đề
sau đây:
- Chi phí: Nhà máy điện hạt nhân có chi phí lớn trong suốt thời gian hoạt động.
- Độ an toàn: Nhà máy điện hạt nhân được cho là không an toàn, ảnh hưởng đến
môi trường và sức khỏe của con người, điển hình là vào năm 1979 ở Three Mile Island,
năm 1986 ở Chernobyl và năm 2011 ở Fukushima I đã xảy ra sự cố ở lò phản ứng hạt
nhân.
- Sự phát triển: Công nghệ hạt nhân phát triển làm cho con người có thể sử dụng
sức mạnh của nó sai mục đích nhằm đạt được các mục đích kinh tế, thương mại hoặc chế
tạo những vũ khí hạt nhân làm ảnh hưởng đến tình hình chính trị và sự an toàn của con
người.
- Chất thải phóng xạ: Nhà máy điện hạt nhân cần được quản lý một cách chặt chẽ
về chất thải phóng xạ trong một thời gian dài, bảo quản tối đa trong khu vực nhà máy để
có thể bảo quản một cách an toàn do đó cần phải tính toán tỉ mỉ lượng chất thải phóng xạ
sinh ra trong thời gian vận hành để lựa chọn địa điểm đủ rộng cho cất giữ chất khí.
1.1.2. Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân
1.1.2.1. Cấu trúc
Nhà máy điện hạt nhân bao gồm 4 phần chính:
-

Trung tâm lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân.

lại bình trao đổi nhiệt để duy trì quá trình trao đổi nhiệt cho liên tục. Để phục vụ cho sự
tuần hoàn nước ở vòng 1 và vòng 2 người ta phải dùng một hệ thống bơm cưỡng bức.
Ngoài ra còn phải thiết kế một hệ thống điện cho nhà máy điện hạt nhân phục vụ cho việc
vận hành lò phản ứng: chạy hệ thống bơm, các hệ thống điều khiển lò. Mọi thông số vật
lý và kỹ thuật trong hoạt động của lò đều được thông báo và hiện số lên các đồng hồ đo
để người điều khiển lò (điều khiển nhà máy điện hạt nhân) biết được tình trạng làm việc
của nhà máy. Nhà máy điện hạt nhân còn phải có các hệ thống thiết bị an toàn (an toàn lò
phản ứng, an toàn nhà máy điện hạt nhân) mới đảm bảo cho nhà máy hoạt động an toàn
và có hiệu quả. Còn phải có các thiết bị kiểm soát độ nhiễm xạ thoát ra trong môi trường
ngoài để có các biện pháp xử lý và ngăn chặn. Sau một thời gian hoạt động, nhiên liệu bị
cháy dần nên còn phải nghiên cứu việc thay thanh nhiên liệu sao cho tối ưu về mặt sản
xuất năng lượng. Các thanh nhiên liệu khi đưa ra khỏi lò chứa các sản phẩm phân hạch có
độ phóng xạ cao phải được chôn cất (hoặc tái chế nếu có nhà máy chuyên dụng) đúng
quy trình kỹ thuật để đảm bảo an toàn cho môi trường và khu dân cư quanh vùng. Trong
số các sản phẩm phân hạch có các nguyên tố phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn (hàng trăm
năm) lại càng cần có các biện pháp xử lý phù hợp như chôn ở độ sâu lớn, trộn với xi
măng trước khi chôn…
Trong quá trình phát triển điện hạt nhân, vấn đề an toàn và công nghệ luôn đóng
một vai trò hết sức quan trọng, mang tính quyết định đối với sự thành công của chương
trình điện hạt nhân.

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn


nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ IV với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất
thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân). Việc
nghiên cứu phát triển công nghệ NMĐHN được tập trung theo 4 hướng sau với đầu tư
nghiên cứu trung bình toàn thế giới khoảng 2 tỷ USD /năm:
- Hoàn thiện công nghệ các NMĐHN hiện hành. Các lò nước nhẹ công suất lớn
đang được thiết kế nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn và từng bước áp
dụng nguyên lý an toàn thụ động.
- Nghiên cứu phát triển các lò có công suất nhỏ và trung bình.
- Phát triển các thiết kế mới kiểu ghép nối các mô - đun độc lập theo hướng sử
dụng chất tải nhiệt là khí nhiệt độ cao và dùng hơi quá nhiệt để quay tuốc - bin, áp dụng
triệt để nguyên lý an toàn thụ động.
- Phát triển những loại lò thế hệ mới có nhiều ưu điểm vượt trội để đáp ứng các
mục tiêu: an toàn hơn, kinh tế hơn, ít chất thải phóng xạ hơn và giảm nguy cơ phổ biến
vũ khí hạt nhân.
Mặc dù có nhiều công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân nhưng
chúng hoạt động đều dựa trên nguyên tắc vật lý là phản ứng phân hạch hạt nhân.

1.3. Tình hình ứng dụng công nghệ điện hạt nhân trên thế giới
Theo Cơ quan năng lượng nguyên tử thế giới IAEA, tính đến ngày 26/02/2012,
trên thế giới có 437 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả 6 lò phản ứng của
Đài Loan - Trung Quốc).

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn


1884

Bulgaria

2

1906

Canada

18

12624

Trung Quốc

16

11688

CH Séc

6

3766

Phần Lan

4


915

Nhật Bản

50

44215

Hàn Quốc

23

20671

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Mexico

2

1300


Slovenia

1

688

Nam Phi

2

1830

Tây Ban Nha

8

7567

Thụy Điển

10

9326

Thụy Sỹ

5

3263



GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Số lò phản ứng dừng dài hạn:
Quốc gia

Số lượng

Tổng công suất thuần
(MW)

Canada

4

2726

Nhật

1

246

Bảng 2 . Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo quốc gia.
Theo loại lò:
Tổng công suất thuần
Loại lò

Số lượng
(MW)


PWR

272

249990

Tổng

437

370345

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Số lò dừng dài hạn:
Tổng công suất thuần
Loại lò

Số lượng
(MW)

FBR

Cơ chế phản ứng phân hạch được mô tả bởi mẫu giọt, trong đó hạt nhân được xem
như là một giọt chất lỏng mang điện tích dương. Giọt chất lỏng này tồn tại do cân bằng
lực giữa lực đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng bề mặt. Khi
neutron tương tác với hạt nhân, trong hạt nhân xuất hiện sự biến dạng dao động từ dạng
hình cầu sang dạng có hai phần dạng quả lê nối với nhau (hình 1). Quá trình dao động kết
thúc bằng sự phân hạch hạt nhân, tức là chỗ nối bị đứt. Điều kiện phân hạch là năng
lượng kích thích E* vượt quá năng lượng ngưỡng Eng, tức là độ cao bờ thế năng phân
hạch. Bờ thế năng này xuất hiện do sự tăng thế năng trong pha đầu biến dạng, khi đó bề
mặt tăng và sức căng bề mặt tăng. Sức căng này có xu hướng bảo toàn dạng hình cầu của
hạt nhân, là dạng có thế năng cực tiểu.

Hình 1 . Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân
Quá trình phân hạch về mặt năng lượng có thể xảy ra đối với các hạt nhân có số
khối lớn hơn 80. Tuy nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân
nặng từ 90Th232 đến 94Pu242 . Động năng neutron, năng lượng liên kết của hạt nhân và độ
cao bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch của các hạt nhân cụ thể. Các hạt
nhân Th232, U233, U235, U238, và Pu239 thường được sử dụng trong lò phản ứng. Khi hấp
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

thụ neutron, các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th 233, U234, U236, U239 và
Pu240 với năng lượng kích thích tối thiểu bằng năng lượng liên kết của neutron trong các
hạt nhân đó. Nếu năng lượng kích thích này lớn hơn năng lượng ngưỡng Eng thì hạt nhân
xuất phát có thể bị phân hạch khi hấp thụ neutron với năng lượng bất kỳ. Còn nếu năng


239

Pu có thể vỡ khi hấp thụ neutron có

năng lượng nhỏ (0,001 đến 0,1 eV). Còn các hạt nhân

238

U và 232Th bị vỡ khi khi hấp thụ

neutron có năng lượng lớn hơn 1,0 MeV.
Giải thích hiện tượng: Khi hấp thụ neutron, hạt nhân biến thành hạt nhân mới ở
trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng cơ bản. Năng lượng
kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mới.
Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì phản ứng phân hạch diễn ra,
còn nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì hạt nhân trở lại trạng
thái ban đầu và phát ra các tia γ.
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp
Với

238

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn



A1
Z1

X +

A2
Z 2

1
Y + k 0 n +E

( k= 2 – 3)

(4)

Hai mảnh X, Y là những hạt nhân khác nhau tùy theo điều kiện của phản ứng, xác
suất xuất hiện hai hạt nhân X, Y phụ thuộc vào số khối A của chúng, thường là các hạt
nhân có số khối trung bình trong bảng tuần hoàn Mendeleev.
E ≈ 200 MeV được gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân urani. Điều này có
nghĩa là 1 kg

235

U khi xảy ra phản ứng phân hạch, tỏa ra một năng lượng tương đương

với 2000 tấn xăng, hoặc khoảng 26000 tấn than đá.

2.3. Các sản phẩm phân hạch
Xét quá trình phân hạch U235 do các neutron nhiệt. Quá trình này không xảy ra


 Ba 140 12


 La 140 40

 Ce140
sec
sec
,8d
, 2h

SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

(bền)

Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Nếu quá trình phân hạch kéo dài đủ lâu với tốc độ không đổi thì trong phần lớn
các dãy phân rã tạo nên sự cân bằng và thành phần hóa học của các sản phẩm phân hạch
cuối cùng sẽ không đổi. Trong trạng thái cân bằng, một phần tư các sản phẩm là các
nguyên tố đất hiếm. Trong các nguyên tố khác thì zirconium chiếm 15%, molybdenum
chiếm 12%, cesium chiếm 6,5 %. Các khí xenon và krypton chiếm 16%. Thể tích các khí
này khi phân hạch 1kg uranium trong khoảng thời gian dài (cỡ 4 năm) đạt tới hơn 25m3 ở
điều kiện bình thường .

11MeV

Ngoài các thành phần năng lượng nêu trên còn có năng lượng bức xạ γ. Vậy năng
lượng tổng cộng khoảng 211MeV.

2.4. Các neutron của phản ứng phân hạch
Một đặc điểm khác của phản ứng phân hạch hạt nhân U235 là trong số các sản
phẩm phân hạch có các neutron. Các neutron sinh ra do phân hạch là đối tượng đáng chú
ý nhất vì chúng đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền. Trong mỗi phân
hạch trung bình xuất hiện ν neutron (ν là số trung bình các neutron phân hạch). Đại lượng
này khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau và tăng khi tăng năng lượng neutron vào:
SVTH: Đỗ Tôn Nữ Kim Duyên

Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

Hạt nhân

En= 0,025 eV

En= 1,8 eV

U233

2,52



Trang 20


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Lê Văn Nhạn

2.5. Tiết diện của phản ứng phân hạch
Tiết diện phản ứng phân hạch σf phụ thuộc năng lượng neutron giống như tiết
diện chiếm phóng xạ. Trong miền neutron nhiệt, tiết diện phân hạch U235 có dạng gần vối
quy luật

1
, trong miền năng lượng lớn hơn có các đỉnh cộng hưởng. Đối với Pu239 có


mặt cộng hưởng trong miền neutron nhiệt và tiết diện khác nhiều với quy luật

1
(hình 3).


Đối với tất cả các hạt nhân phân hạch tiết diện giảm cỡ hai bậc khi chuyển từ neutron
nhiệt sang neutron nhanh. Tiết diện phân hạch của các hạt nhân Th232 và U238 có ngưỡng
bằng 0 trong miền năng lượng nhỏ hơn 1MeV rồi sau đó tăng nhanh đến giá trị cỡ 10-24
cm2 và tăng dần theo năng lượng (hình 4).

Hình 3. Tiết diện phân hạch U235 và Pu239 (đường gạch nối- miền cộng hưởng).