Trong nhà máy điện hạt nhân, khi lò phản ứng phân tách các nguyên tử hoạt động bình thường, người ta nói rằng nó “tới hạn” (critical) hoặc ở trạng thái “tới hạn” (criticality). Đây là trạng thái thiết yếu, cần thiết cho quá trình sản xuất điện.
Việc sử dụng thuật ngữ “tới hạn” khi mô tả trạng thái bình thường, nghe có vẻ trái ngược với suy nghĩ của nhiều người. Bởi trong cách nói hằng ngày, từ này thường mô tả tình huống sắp hết hạn hay có khả năng không hoạt động được nữa!
Nhưng với nhà máy điện hạt nhân, tính tới hạn chỉ ra rằng lò phản ứng đang hoạt động an toàn. Có hai thuật ngữ liên quan đến tính tới hạn: siêu tới hạn (supercriticality) và dưới tới hạn (subcriticality). Cả hai trạng thái đều bình thường và cần thiết để sản xuất điện hạt nhân đúng cách.
"Tới hạn" là trạng thái cân bằng
Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng phân hạch là quá trình phân tách hạt nhân của các nguyên tử (thường là uranium) để giải phóng các neutron, sau đó tiếp tục phân tách nhiều nguyên tử hơn, giải phóng nhiều neutron hơn để tạo ra năng lượng.
Tính tới hạn có nghĩa là lò phản ứng đang kiểm soát phản ứng dây chuyền phân hạch liên tục, trong đó mỗi giai đoạn phân hạch giải phóng vừa đủ lượng neutron để duy trì một loạt phản ứng đang diễn ra. Đây là trạng thái bình thường của quá trình sản xuất điện hạt nhân.
Trong phản ứng phân hạch, hầu hết neutron được giải phóng ngay lập tức, nhưng một số bị làm chậm lại. Điều này rất quan trọng, cho phép lò phản ứng hoặc hệ thống phản ứng dây chuyền có thể kiểm soát được và có thể được giữ chính xác ở trạng thái tới hạn.
Phân hạch tạo ra một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt và bức xạ rất cao. Đó là lý do tại sao các lò phản ứng được đặt trong các cấu trúc được bịt kín dưới các mái vòm bê tông cốt thép kim loại dày. Các nhà máy điện khai thác năng lượng và nhiệt này để tạo ra hơi nước, dùng để chạy các máy phát điện sản xuất điện.
Kiểm soát tính tới hạn
Khi lò phản ứng khởi động, số lượng neutron tăng chậm theo cách được kiểm soát. Các thanh điều khiển hấp thụ neutron trong lõi lò phản ứng được sử dụng để hiệu chỉnh tạo ra neutron. Các thanh điều khiển được làm từ các nguyên tố hấp thụ neutron như cadmium, boron hoặc hafnium.
Các thanh càng hạ xuống sâu vào lõi lò phản ứng, càng hấp thụ nhiều neutron và càng ít xảy ra phân hạch. Các kỹ thuật viên hiệu chỉnh thanh điều khiển lên hoặc xuống lõi lò phản ứng tùy thuộc vào nhu cầu phân hạch, sản xuất neutron và công suất nhiều hay ít.
Nếu xảy ra trục trặc, các kỹ thuật viên có thể thực hiện từ xa nhúng thanh điều khiển vào lõi lò phản ứng để nhanh chóng hấp thụ neutron và dừng phản ứng hạt nhân.
Siêu tới hạn, dưới tới hạn là gì?
Khi khởi động, lò phản ứng hạt nhân được đưa vào trạng thái tạo ra nhiều neutron hơn mức mất đi. Trạng thái này được gọi là trạng thái siêu tới hạn, cho phép mật độ neutron tăng lên và sản xuất nhiều năng lượng hơn.
Khi đạt được sản lượng điện mong muốn, các điều chỉnh được thực hiện để đưa lò phản ứng vào trạng thái tới hạn, duy trì cân bằng neutron và sản xuất điện. Đôi khi, chẳng hạn như dừng lò để bảo trì hoặc tiếp nhiên liệu, lò phản ứng được đặt ở trạng thái dưới tới hạn, do đó neutron và sản xuất điện giảm.
Vậy là bạn đã hình dung được tính tới hạn của nhà máy điện hạt nhân. Khác xa với sự lo ngại theo cái tên của nó, tới hạn là trạng thái mong muốn và cần thiết đối với một nhà máy điện hạt nhân sản xuất điện một cách ổn định và nhất quán.
