(Nuclear Power)

Sự phát triển mạnh mẽ nhất của công nghiệp nguyên tử chính là điện hạt nhân. Đến năm 2000 điện năng của các nhà máy điện hạt nhân phát ra chiếm khoảng 30% tổng điện năng của toàn thế giới.

Hầu hết các lò phản ứng đang hoạt động hoặc đang được xây dựng đều là những lò phản ứng nhiệt, ở đó nhiệt năng do sự tan rã các nơtron được giảm tốc bằng chất làm chậm đến trạng thái cân bằng nhiệt với chất làm chậm. Hai loại lò được dùng phổ biến nhất hiện nay là lò nước sôi (Boiling Water Reactor – BWR) và lò nước áp lực (Pressurized Water Reactor – PWR). Nước được dùng trong các loại lò này đóng cả 2 vai trò: Chất làm chậm và chất làm mát. Cả 2 loại lò này có tên gọi chung là lò nước nhẹ (Light Water Reactor – LWR). Trong đó BWR hơi nước được tạo ra bằng cách đun trực tiếp nước trong thân lò. Trong lò PWR hơi nước được tạo ra trong các bộ tạo hơi ngoài thân lò, ở đó chất làm mát dưới áp suất cao không cho nước sôi được. Các loại lò phản ứng khác trong đó có lò sử dụng chất làm chậm bằng than chì và làm mát bằng khí được dùng ở Anh và lò phản ứng dùng nước nặng dưới áp lực ở Canada.

Một loại lò phản ứng được xem là có triển vọng và đang được nghiên cứu ở nhiều nước phát triển là loại lò phản ứng tái sinh nhanh sử dụng kim loại lỏng (Liquid – Metal Fast – Breeder Reactor – LMFBR). LMFBR được làm mát bằng kim loại lỏng, sodium và phân rã được thực hiện bằng các nơtron nhanh. Lò phản ứng được gọi tên là tái sinh (Breeder) vì nó sản sinh ra nhiên liệu hạt nhân nhiều hơn mức tiêu thụ nhiên liệu của nó.

Nhiên liệu trong lò tái sinh được sử dụng hiệu quả hơn khoảng 60 lầm so với lò nước nhẹ. Người ta đánh giá rằng nếu không sử dụng lò tái sinh, nguồn cung cấp nhiên liệu hạt nhân cho các nhà máy điện nguyên tử trên toàn thế giới có thể sẽ bị cạn kiệt trong vòng vài thập kỷ đến. Nếu cải thiện được chế độ sử dụng nhiên liệu bằng các lò tái sinh, các nhà máy điện hạt nhân có thể cung cấp điện năng cho toàn thế giới đến hàng trăm năm nữa.

Tổng hợp hạt nhân

Tổng hợp hạt nhân là nguồn năng lượng tiềm tàng với khả năng ứng dụng rất rộng rãi. Quá trình tổng hợp hai nguyên tử nhẹ thành một nguyên tử nặng với khối lượng bé hơn hai nguyên tử ban đầu là quá trình năng lượng cơ bản trong vũ trụ (là quá trình xảy ra ở tất cả các vì sao). Năng lượng do phản ứng tổng hợp có thể phát ra dưới nhiều dạng khác nhau, trong đó có các hạt mang điện, bức xạ điện từ và các nơtron. Các ứng dụng có thể là: Sản xuất điện năng, sản xuất nhiên liệu tổng hợp, ứng dụng vào các quá trình nhiệt, sản xuất các nhiên liệu phân rã cho lò phản ứng hạt nhân.

Những nghiên cứu về tổng hợp hạt nhân bắt đầu từ những năm 1950 tập trung vào lĩnh vực vật lý Plasma đặc biệt là tạo ra những Plasma nhiệt độ cao (100.000.0000C [180.000.0000F] hoặc cao hơn) với mật độ đủ lớn và thời gian đủ Dài để sản xuất năng lượng hiệu dụng.

Những nghiên cứu về vật lý tổng hợp hạt nhân đã đạt nhiều thành tựu. Kết quả quan trọng nhất là việc chiết xuất năng lượng hữu ích từ Plasma và phát triển hệ thống nhiên liệu tổng hợp cho các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Những kết quả này đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển.

Các lò phản ứng hạt nhân

Các nhà máy điện hạt nhân khác các nhà máy nhiệt điện thông thường khác chủ yếu ở phần tạo ra hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để quay tua bin. Thay vì các lò hơi thông thường trong nhà máy điện nguyên tử người ta sử dụng các lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân là loại thiết bị trong đó chuỗi phản ứng phân rã hạt nhân được thực hiện trong điều kiện được kiểm soát chặt chẽ. Những thiết bị này được sử dụng để nghiên cứu, để sản xuất các chất đồng vị phóng xạ và quan trọng hơn là để sản xuất điện năng.

Phản ứng phân rã hạt nhân trong lò là quá trình trong đó một hạt nhân nặng được tách ra thành hai mảng bé hơn. Một năng lượng lớn tỏa ra từ quá trình này và nó là cơ sở cho hệ thống phân rã năng lượng hạt nhân hoạt động. Các mảng được tách ra từ hạt nhân được phân rã ở trạng thái bị kích thích mạnh và phát ra các nơtron và các dạng bức xạ khác các nơtron sau đó lại gây nên các phản ứng phân rã khác, tạo nên nhiều nơtron hơn và quá trình phản ứng dây chuyền ngày càng tăng. Trong các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân quá trình này được khống chế ở mức kiểm soát được và giữ ổn định.

Phần lớn năng lượng phân rã – khoảng 80% - được phát ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Phần năng lượng còn lại vẫn ở trong chất thải của phản ứng phân rã.

Đại đa số các lò phản ứng hạt nhân được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng, chúng có tên gọi chung là lò phản ứng năng lượng (Power Reactors). Ngoài ra còn có các loại lò phản ứng dùng cho nghiên cứu, dùng làm nguồn động lực cho tàu thủy, tàu ngầm…

Có nhiều kiểu lò phản ứng hạt nhân năng lượng, tuy nhiên loại lò dùng nước nhẹ ngày nay được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới.

Lò phản ứng nước nhẹ (LWR)

Như trên đã nói trong LWR nước thường được sử dụng để làm chậm và làm mát. Có 2 loại lò nước nhẹ cơ bản: Lò nước dưới áp lực (PWR) và lò nước sôi (BWR). Trong lò BWR nước được hấp thu nhiệt từ lõi lò sôi và chuyển thành hơi ở áp suất trung bình, làm quay tua bin (Hình 1).

Hình 1: Lò phản ứng một mạch vòng (BWR)

Trong lò PWR nước ở áp suất và nhiệt độ cao hấp thu nhiệt từ lõi lò và chuyển đến các bộ phận sinh hơi theo mạch vòng thứ nhất (hình 2).

Hình 2: Lò phản ứng hai mạch vòng (PWR)

Tại các bộ sinh hơi (lò hơi) nhiệt từ nước ở mạch vòng thứ nhất sẽ truyền cho nước ở mạch vòng thứ 2 làm cho nước trong mạch vòng này sôi và sinh hơi để quay tuabin. PWR có ưu điểm hơn BWR về mặt sử dụng nhiên liệu và mật độ năng lượng; cả 2 loại lò này từ những năm 1960 trở lại đây đã cạnh tranh nhau về các chỉ tiêu kinh tế.

Cả hai loại lò nước nhẹ này đều sử dụng nhiên liệu dioxit urani dưới dạng các viên nén đặt trong ống bằng hợp kim Ziconi. Nhiên liệu cho lò BWR có mức độ làm giầu thấp hơn, còn nhiên liệu cho lò PWR sản sinh được nhiều năng lượng hơn trong quá trình sử dụng. Vì BWR làm việc ở áp suất thấp hơn nên có thành lò mỏng hơn so với PWR, tuy nhiên vì mật độ năng lượng của BWR thấp hơn PWR nên đường kính lò BWR lớn hơn lò PWR có cùng công suất. Hệ thống bên trong của BWR phức tạp hơn vì có hệ thống bơm tuần hoàn, hệ thống phân ly và làm khô hơi bên trong lò. Mặc dù hệ thống bên trong lò PWR đơn giản hơn nhưng kích thước của BWR (cùng công suất) vẫn bé hơn vì nó không có các bộ sinh hơi (thường có 4 bộ cho mỗi lò PWR loại lớn). Các thanh điều khiển của lò PWR được đưa vào tâm lò từ phía trên của lò, trong khi ở lò BWR được đưa từ phía đáy lò.

Các lò phản ứng nước nhẹ được nạp nhiên liệu từ phía nóc lò. Trong quá trình nạp nhiên liệu có thể quan sát phần tâm lò. Bình áp lực của lò được đổ đầy nước, nước đóng vai trò như lớp bảo vệ trong quá trình thao tác. Sau đó các thanh nhiên liệu đã hết thời gian sử dụng được rút ra khỏi tâm lò, đặt vào các hộp bảo vệ và vận chuyển đến bể chứa để làm mát vì những thanh này vẫn còn ở mức phóng xạ cao. Thông thường mỗi lần nạp nhiên liệu người ta thay khoảng một phần ba tổng số thanh, số thanh còn lại sẽ được đổi chỗ sắp xếp lại để nâng cao khả năng phóng xạ và khả năng phát công suất của lò, những vị trí còn trống sau khi sắp xếp sẽ được nạp các thanh nhiên liệu mới. Quá trình nạp nhiên liệu tiêu tốn khá nhiều thời gian từ ba tuần đến vài tháng. Trong thời gian này người ta kết hợp kế hoạch bảo quản sửa chữa toàn nhà máy điện hạt nhân.

Các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng được chứa trong bể chứa không những có mức phóng xạ cao mà còn tiếp tục sản sinh ra năng lượng. Năng lượng này được giải tỏa bằng tuần hoàn tự nhiên của nước trong bể chứa. Về nguyên tắc các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng sau đó phải được xử lý, tuy nhiên vấn đề xử lý, tái chế hiện nay chỉ được một số nước thực hiện. Vấn đề chôn cất, xử lý chất thải của các nhà máy điện hạt nhân sau khi hoạt động là vấn đề lớn còn cần phải được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết.

Các lò phản ứng hạt nhân dùng nước nhẹ hiện đại có công suất cỡ 1000 – 1300 MW. Cỡ công suất này có thể không thích hợp với các nước có hệ thống điện còn yếu. Vì vậy, gần đây việc nghiên cứu chế tạo ra các loại lò có công suất thấp hơn (chẳng hạn cỡ 600 MW) đã được tiến hành ở nhiều nước. Ngoài loại lò phản ứng dùng nước nhẹ hiện nay đang được rất phổ biến, còn có rất nhiều loại lò phản ứng hạt nhân khác dùng các môi chất trung gian, nhiên liệu đầu vào và mục đích sử dụng khác nhau. Có thể kể đến các loại: Lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng khí (High – temperature gas – cooled reactor – HTGR); lò phản ứng dùng phổ nơtron nhanh làm mát bằng kim loại lỏng sodium; lò CANDU của Canada sử dụng nhiên liệu là urani thiên nhiên phong phú có sẵn trong nước không cần làm giầu và sẽ không phụ thuộc vào các nước có công nghệ làm giầu urami; lò phản ứng tiên tiến làm mát bằng khí (Advanced gas – coaled reactor – AGR) được phát triển tại Anh và nhiều loại lò phản ứng khác ít được phổ biến hơn được sử dụng trong nghiên cứu và các mục đích khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

The New Encyclopaedia Britannica, Volume 18, Macropaedia, 15 Edition, 1977, pp. 373-383 & 424-425.

Samual Glasstone and Milton C. Edlund, The Elements of Nuclear Reactor Theory, 1952.

Samual Glasstone and Alexander Sesonske, Nuclear Reactor Engineering, 3th Edition, 1981.