Phân loại các lò phản ứng hạt nhân

Có rất nhiều cách để phân loại lò phản ứng hạt nhân, trong đó cách phân loại phổ biến nhất là dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng.

• Bên trong lò phản ứng hạt nhân duy nhất ở Việt Nam
  
• Triển vọng lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ
• 'Nóng chảy hạt nhân' là gì?

Lò phản ứng hạt nhân có bao nhiêu loại?

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, kiểm soát, và duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để quay tuốc bin hơi nước.

Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo một số phương pháp như sau:

• Phân loại theo mục đích sử dụng.
• Phân loại theo chất làm chậm.
• Phân loại theo năng lượng của nơtron.
• Phân loại theo công suất.
• Phân loại theo thế hệ lò.
• Phân loại theo loại hình phản ứng hạt nhân.
• Phân loại theo chất điều tiết.
• Phân loại theo chất làm mát.
• Phân loại theo cấp bậc.
• Phân loại theo mục đích sử dụng.

Dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng:

Lò phản ứng nước – nước

Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa.

Lò nước áp lực tạo hơi gián tiếp: Chất tải nhiệt vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi được tạo ra rồi dẫn tới turbin.

Lò nước sôi sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò. Hơi được tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt động, sau đó được đưa tới turbin.

Sơ đồ lò nước sôi cải tiến

Lò phản ứng graphite

Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản ứng graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng chẩy.

Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt. Bao quanh các ống dẫn là graphite. Ở nhiệt độ cao, graphite xẩy ra phản ứng với không khí, do đó chất làm chậm graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại. Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dầy, khí trơ Heli hoặc CO2 bơm vào bên trong lò phản ứng.

Cấu tạo lò phản ứng graphite – РБМК -1000: Vùng phản ứng (hoạt động), ống dẫn hơi nước, bộ phân tách hơi nước, bơm chính, cổ góp điện, ống dẫn nước làm chất truyền nhiệt, lớp bảo vệ sinh học phía trên, hệ thống khởi động lò, lớp bảo vệ sinh học phía dưới.

Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt năng lượng lớn (notron nhanh)

Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U235 và Pu239 được làm giàu (15%). Phản ứng dây truyền xẩy ra dưới tác động kích hoạt của các notron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U238 hoặc Th232 có nhiệm vụ hấp thu toàn bộ các hạt notron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U238 và Th232 khi hấp thụ notron sẽ trở thành Pu239, U233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế.

Trong lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm notron. kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt.

Lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giàu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 kW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn. Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được sử dụng là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giàu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác.

Lò phản ứng sử dụng notron kích họat năng lượng lớn

Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm

Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường. Nó dùng graphite là chất làm chậm và khí helium là chất tải nhiệt. Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn cao. Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600 độ C trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp tới turbin.

Các loại lò phản ứng hạt nhân được dùng phổ biến trên thế giới

Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển.

Lò nước nhẹ: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR): Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN. Đây là công nghệ không những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương lai gần. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn.

Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt

Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công nghệ hạt nhân từ kiểu nước nặng như Trung Quốc, Ấn Độ chú trọng phát triển lò nước nặng và đã tự chủ trong công nghệ này. Gần đây nhất, Rumani đã nhập công nghệ này và xây dựng hai tổ máy. Lò nước nặng có chu trình nhiên liệu linh hoạt, có thể sử dụng urani tự nhiên, urani có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên liệu đã cháy của PWR, nhiên liệu oxide hỗn hợp, thorium.

Lò khí nhiệt độ cao: Được phát triển ở Mỹ, Anh và Tây Đức, lò này sử dụng Graphit làm chậm nơtron, heli làm chất tải nhiệt và nhiên liệu là viên urani-thorium có độ giàu cao được bao bọc bởi graphit. Tuy nhiên, công nghệ lò khí hiện nay dường như chững lại. Các hướng nghiên cứu phát triển tập trung vào lò khí nhiệt độ cao, lò tầng cuội kiểu nhiên liệu viên tròn với vỏ bọc Graphite. Một khả năng lớn cho việc ứng dụng lò khí là dùng để sản xuất Hydro cho pin nhiên liệu.

Lò nơron nhanh: Sử dụng urani hoặc plutoni có độ giàu cao làm nhiên liệu, vùng hoạt được bao bọc xung quanh bởi urani tự nhiên và kim loại lỏng được dùng làm chất tải nhiệt. Tổ máy dùng lò nơtron nhanh có 3 vòng tuần hoàn, vòng 1 qua vùng hoạt, vòng 2 qua trung gian và vòng 3 là vòng của chất sinh công, qua tuốc bin.

Hệ lò dùng máy gia tốc: Một phát triển gần đây là kết hợp công nghệ lò phân hạch và máy gia tốc để phát điện và chuyển hóa các đồng vị sống lâu trong chất thải phóng xạ. Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sản sinh nơtron.

Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới

• ABWR - Lò nước sôi cải tiến
• AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
• BWR - Lò nước sôi
• FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat năng lượng lớn (notron nhanh)
• GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
• HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm.
• HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
• HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm chậm.
• РБМК - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt.
• PHWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt và làm chậm
• PWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt.
• SGHWR - Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt
• ВВЭР - Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR)