Lò phản ứng điện hạt nhân hoạt động như thế nào?

Điện hạt nhân được sản xuất như thế nào?

Lò phản ứng điện hạt nhân tạo ra và kiểm soát việc giải phóng năng lượng từ việc phân tách các nguyên tử của một số nguyên tố nhất định, năng lượng này được dùng để sản xuất điện. Các nguyên lý sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện về cơ bản giống nhau với hầu hết loại lò phản ứng.

Quá trình này gồm một số bước:

1. Phản ứng hạt nhân. Trong lõi lò phản ứng, các nguyên tử của nhiên liệu (thường là uranium) bị phân tách trong quá trình gọi là phân hạch hạt nhân. Quá trình này giải phóng lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng nhiệt.

+ Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, hầu hết neutron được giải phóng ngay lập tức, nhưng một số neutron bị làm chậm lại. Việc làm chậm nhờ các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ neutron và chất làm chậm (chất điều tiết). Điều này rất quan trọng, cho phép kiểm soát được hệ thống phản ứng dây chuyền và có thể giữ được chính xác trạng thái tới hạn của lò phản ứng.

2. Truyền nhiệt. Nhiệt sinh ra từ các phản ứng hạt nhân được truyền sang chất làm mát (chẳng hạn như nước), lưu thông qua lõi lò phản ứng. Chất làm mát hấp thụ nhiệt, đưa nhiệt ra khỏi lò phản ứng đến bộ trao đổi nhiệt.

3. Tạo hơi nước. Bộ trao đổi nhiệt chuyển đổi nhiệt từ chất làm mát thành hơi nước. Hơi nước này thường được tạo ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao.

4. Turbine và máy phát điện. Hơi nước áp suất cao được dẫn đến turbine, kết nối với máy phát điện. Khi hơi nước dẫn động qua turbine, làm cho turbine quay, tạo ra năng lượng cơ học.

5. Tạo ra điện. Máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học từ turbine thành năng lượng điện, sau đó truyền đến máy biến áp và phân phối vào lưới điện.

6. Làm mát. Hơi nước được làm mát trở lại, ngưng tụ thành nước, đưa trở lại bộ trao đổi nhiệt để được đun nóng lại trong một chu trình liên tục.

Các nhà máy điện hạt nhân luôn được giám sát và bảo dưỡng cẩn thận để đảm bảo hoạt động an toàn, hiệu quả, đồng thời phải giải quyết thách thức trong việc quản lý an toàn chất thải hạt nhân.

Các loại lò phản ứng hạt nhân

Có nhiều loại lò phản ứng khác nhau, mỗi loại có đặc điểm vận hành riêng. Sau đây là các loại lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới.

Lò phản ứng nước áp suất (Pressurized Water Reactor - PWR) là loại phổ biến nhất, với khoảng 300 lò hoạt động, chiếm gần 70% số lò phản ứng trên thế giới. PWR là lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ, sử dụng nước thường là chất làm chậm (làm chậm neutron) và chất làm mát (để truyền nhiệt). PWR có hai mạch làm mát riêng biệt: một mạch chính chảy qua lõi lò phản ứng và một mạch phụ tạo ra hơi nước để dẫn động turbine. Ở Nga, PWR được gọi là loại VVER (Water-Water Power Reactor).

Lò phản ứng nước sôi (Boiling Water Reactor - BWR) là loại phổ biến thứ hai, chiếm 15% số lò toàn cầu. BWR có một số điểm tương tự như PWR. Thiết kế này cũng sử dụng nước thường là chất làm chậm (làm chậm neutron) và chất làm mát (để truyền nhiệt). Tuy nhiên, trong BWR, chỉ sử dụng một mạch làm mát và nước làm mát sôi bên trong lò phản ứng.

Loại lò phản ứng thứ ba là lò phản ứng nước nặng áp suất (Pressurized Heavy Water Reactor - PHWR). PHWR được phát triển từ những năm 1950 tại Canada với tên gọi CANDU (Canada Deuterium Uranium). PHWR sử dụng nước nặng (D₂O) là chất làm mát và chất làm chậm. Nước nặng là dạng nước chứa tỷ lệ đồng vị deuterium cao hơn nước thường.

Loại lò phản ứng thứ tư là lò phản ứng nước nhẹ điều tiết bằng than chì (Light Water Graphite Moderated Reactor - LWGR). Thiết kế chính của LWGR là RBMK, thiết kế của Liên Xô. LWGR sử dụng nước thường là chất làm mát và than chì làm chất làm chậm. Nó rất khác so với hầu hết thiết kế lò phản ứng điện hạt nhân khác.

Các loại lò phản ứng khác cũng dùng sản xuất điện là: Lò phản ứng làm mát bằng khí (Gas Cooled Reactor - GCR), lò phản ứng làm mát bằng khí tiên tiến (Advanced Gas Cooled Reactor - AGR), lò phản ứng neutron nhanh (Fast Neutron Reactor - FNR), lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (High Temperature Gas-Cooled Reactor - HTGR).

Chu trình nhiên liệu hạt nhân

Để chuẩn bị uranium sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân, nó trải qua các bước khai thác, chuyển đổi, làm giàu và chế tạo nhiên liệu. Các bước này tạo nên đầu vào của chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Quặng uranium sau khi khai thác, được đưa đến nhà máy thường nằm gần mỏ. Tại nhà máy, quặng được nghiền, ngâm trong acid sulfuric để tách uranium ra khỏi đá thải. Sau đó, nó được thu hồi từ dung dịch và kết tủa dưới dạng cô đặc uranium oxide.

Vì uranium cần ở dạng khí trước khi có thể được làm giàu, nên uranium oxide được chuyển đổi thành khí uranium hexafluoride (UF₆) tại một nhà máy chuyển đổi.

Phần lớn lò phản ứng điện hạt nhân đang hoạt động và đang xây dựng đều yêu cầu nhiên liệu uranium làm giàu, trong đó hàm lượng đồng vị U-235 được nâng từ mức tự nhiên là 0,7% lên khoảng 3,5% hoặc cao hơn một chút.

UF₆ làm giàu được vận chuyển đến nhà máy chế tạo nhiên liệu, nơi nó được chuyển đổi thành bột uranium dioxide và ép thành các viên nhỏ. Những viên này được đưa vào các ống, tạo thành các thanh nhiên liệu. Sau đó, các thanh nhiên liệu được niêm phong, lắp ráp thành các cụm (bó) để sử dụng trong lõi lò phản ứng hạt nhân.

Điện hạt nhân là nguồn điện sạch, nhưng chất thải hạt nhân có tính phóng xạ cao. Mối quan tâm chính về chất thải hạt nhân là việc xử lý chất thải, đây là vấn đề khó đối với các nước sử dụng điện hạt nhân. Chất thải hạt nhân có độ phóng xạ cao, phải được lưu trữ cho đến khi độ phóng xạ giảm xuống mức an toàn mà không làm ô nhiễm môi trường xung quanh, có khi kéo dài trong nhiều thế kỷ.