Các loại lò phản ứng hạt nhân quan trọng hiện nay

[Lizzie]

Khi Việt Nam khởi động lại dự án điện hạt nhân, các thông tin về lò phản ứng hạt nhân được quan tâm tìm kiếm. Trong bài viết này, tôi xin giới thiệu về các loại lò phản ứng hạt nhân quan trọng hiện nay.
Trước hết, nên biết lò phản ứng hạt nhân là cơ quan quan trọng nhất của nhà máy điện hạt nhân. Phản ứng dây chuyền hạt nhân diễn ra ở đây và năng lượng được tạo ra bằng phản ứng phân hạch hạt nhân. Nhiệt lượng tạo ra có thể được sử dụng để tạo ra điện. Mục đích chính của lò phản ứng hạt nhân là chứa và kiểm soát năng lượng giải phóng. Uranium được sử dụng làm nhiên liệu trong các lò phản ứng này. Nhiệt tạo ra từ phản ứng hạt nhân được sử dụng để biến nước thành hơi nước, sau đó được chuyển đổi thành điện không chứa carbon bằng tua bin.

Các loại lò phản ứng hạt nhân:​

Có nhiều loại lò phản ứng khác nhau dựa trên chất làm chậm, chất làm mát và công nghệ được sử dụng. Lò phản ứng điện hạt nhân hoạt động dựa trên phản ứng phân hạch hạt nhân. Chu trình nhiên liệu Thori cũng có thể thực hiện được, nhưng chúng thường sử dụng urani và sản phẩm của nó là plutoni làm nhiên liệu hạt nhân.
Lò phản ứng phân hạch hạt nhân có thể được chia thành hai loại dựa trên năng lượng của nơtron duy trì phản ứng phân hạch: lò phản ứng nhiệt và lò phản ứng nơtron nhanh.

1. Lò phản ứng nhiệt:​

• Lò phản ứng nhiệt (loại lò phản ứng hạt nhân phổ biến nhất) sử dụng các neutron chậm hoặc nhiệt để duy trì phản ứng phân hạch nhiên liệu. Hầu hết các lò phản ứng hiện đại đều thuộc loại này. Chúng chứa chất làm chậm neutron làm chậm neutron. Chất làm chậm thường cũng là chất làm mát, tức là nước thông thường dưới áp suất cao. Có khả năng phân hạch cao bởi neutron chậm. Làm giàu 2 – 5% vật liệu phân hạch là đủ để duy trì phản ứng dây chuyền.
  Chúng thường tạo ra nhiều chất thải phóng xạ hơn.
  
• Lò phản ứng nước sôi (BWR), lò phản ứng nước áp suất (PWR) và lò phản ứng nước nặng (HWR) hoạt động với neutron nhiệt [sử dụng bộ điều tiết]

Các loại lò phản ứng nhiệt​

A. Lò phản ứng nước nhẹ (LWR)
Lò phản ứng nước nhẹ [LWR] và lò phản ứng nước cứng [HWR] là lò phản ứng dựa trên chất làm mát và chất làm chậm.
Lò phản ứng nước nhẹ (LWR) là một loại lò phản ứng neutron nhiệt sử dụng nước thông thường thay vì nước nặng làm chất làm mát và chất điều hòa neutron.
Lò phản ứng neutron nhiệt là loại lò phản ứng hạt nhân phổ biến nhất và lò phản ứng nước nhẹ là loại lò phản ứng neutron nhiệt phổ biến nhất.
Có ba loại lò phản ứng nước nhẹ: lò phản ứng nước áp suất (PWR), lò phản ứng nước sôi (BWR) và (trong hầu hết các thiết kế) lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR).

B. Lò phản ứng nước áp suất (PWR)
PWR sử dụng nước thường làm chất làm mát. Nước làm mát chính được giữ ở áp suất rất cao để không bị sôi. Lò phản ứng nước áp suất (PWR) chiếm phần lớn trong số các nhà máy điện hạt nhân ở phương Tây.

Trong lò PWR, chất làm mát chính (nước) được bơm ở áp suất cao vào lõi lò, tại đây nước được đun nóng bằng năng lượng tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân của các nguyên tử. Nước nóng sau đó chảy đến máy phát hơi nước, tại đây nước truyền năng lượng nhiệt sang hệ thống thứ cấp, nơi hơi nước được tạo ra và chảy đến tua-bin, giúp quay máy phát điện.

Không giống như lò phản ứng nước sôi, áp suất trong vòng làm mát chính ngăn nước bên trong lò phản ứng sôi. PWR ban đầu được phát triển để làm động lực cho tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân trong tàu ngầm hạt nhân.

C. Lò phản ứng nước sôi (BWR)

Đây là lò phản ứng phát điện phổ biến thứ hai sau lò phản ứng nước áp suất (PWR).
Sự khác biệt chính giữa BWR và PWR là ở BWR, lõi lò phản ứng hạt nhân làm nóng nước, nước này chuyển thành hơi nước và chạy tua bin hơi nước. Ở PWR, lõi lò phản ứng làm nóng nước không sôi.
Nước nóng này trao đổi nhiệt với hệ thống nước áp suất thấp và biến thành hơi nước, làm quay tua-bin.

D. Lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR)
Lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR) sử dụng nước siêu tới hạn làm chất lỏng làm việc. Hydrat hóa nước siêu tới hạn (SCWO) là một quá trình xảy ra trong nước ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn nhiệt động của hỗn hợp.
Trong những điều kiện này, nước trở thành chất lỏng có những đặc tính độc đáo có thể được sử dụng để tiêu hủy chất thải nguy hại.
SCWR tương tự như lò phản ứng nước nhẹ (LWR), nhưng hoạt động ở áp suất và nhiệt độ cao hơn lò phản ứng nước áp suất (PWR) và hoạt động theo chu trình một lần giống như lò phản ứng nước sôi (BWR).
SCWR là hệ thống điện hạt nhân tiên tiến đầy hứa hẹn nhờ hiệu suất nhiệt cao và thiết kế đơn giản hơn. Tuy nhiên nó vẫn đang trong giai đoạn phát triển.

E. Lò phản ứng nước nặng áp suất (PHWR)
Lò này sử dụng nước nặng (deuterium oxide D2O ) làm chất làm mát và chất điều hòa neutron vì chất làm mát bằng nước nặng được giữ dưới áp suất, có thể đun nóng đến nhiệt độ cao mà không sôi, tương tự như lò phản ứng nước áp suất.
Nước nặng đắt hơn nhiều so với nước nhẹ thông thường, nhưng nó cải thiện đáng kể hiệu quả tiết kiệm neutron, cho phép lò phản ứng hoạt động mà không cần cơ sở làm giàu nhiên liệu (bù đắp chi phí bổ sung cho nước nặng), sử dụng các chu trình nhiên liệu thay thế và tăng khả năng của lò phản ứng.

2. Lò phản ứng sinh sản nhanh:​

Lò phản ứng sinh sản nhanh/nơtron sử dụng nơtron nhanh để gây ra phản ứng phân hạch hạt nhân của nhiên liệu. Những thứ này rất hiếm vì tính phức tạp và chi phí cao. Chúng khó xây dựng hơn và tốn kém hơn khi vận hành. Chúng không có chất làm chậm neutron và sử dụng ít chất làm mát có tác dụng làm chậm hơn.
Để duy trì phản ứng dây chuyền, nhiên liệu cần phải được làm giàu cao trong vật liệu phân hạch (khoảng 20% trở lên) do tiềm năng phân hạch tương đối thấp. Các lò phản ứng nhanh có thể tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn vì tất cả vật liệu phân hạch đều trải qua quá trình phân hạch với các nơtron nhanh [nhiên liệu được làm giàu cao với vật liệu phân hạch].
Lò phản ứng sinh sản chạy bằng neutron nhanh [không cần bộ điều tiết]