Các nhà máy điện hạt nhân được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, trên các vệ tinh Trái đất và trên các phương tiện vận tải hàng hải lớn, bộ phận chính của nó là lò phản ứng hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị trong đó thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền có kiểm soát của các hạt nhân nặng, kèm theo sự giải phóng năng lượng. Như đã lưu ý trước đó, điều kiện để thực hiện phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì là phải có đủ số lượng neutron thứ cấp phát sinh trong quá trình phân hạch hạt nhân nặng thành hạt nhân nhẹ hơn (mảnh) và có cơ hội tham gia vào quá trình phân hạch. quá trình phân hạch tiếp theo của hạt nhân nặng.
Các bộ phận chính của bất kỳ loại lò phản ứng hạt nhân nào là:
1) cốt lõi nơi có nhiên liệu hạt nhân, phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân xảy ra và năng lượng được giải phóng;
2) phản xạ neutron, bao quanh lõi và giúp giảm sự rò rỉ neutron từ lõi bằng cách phản xạ chúng trở lại vùng. Các vật liệu phản xạ phải có xác suất bắt giữ neutron thấp nhưng xác suất tán xạ đàn hồi của chúng cao;
3) chất làm mát- dùng để loại bỏ nhiệt từ lõi;
4) Hệ thống điều khiển và điều khiển phản ứng dây chuyền;
5) hệ thống bảo vệ sinh học(bảo vệ bức xạ), bảo vệ nhân viên phục vụ khỏi tác hại của bức xạ ion hóa.
Trong các lò phản ứng hạt nhân sử dụng neutron chậm, vùng hoạt động, ngoài nhiên liệu hạt nhân, còn chứa chất điều tiết các neutron nhanh được tạo ra trong phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân nguyên tử. Chất điều tiết (than chì) được sử dụng, cũng như chất lỏng hữu cơ và nước, cũng có thể dùng làm chất làm mát. Nếu không có chất điều tiết trong lõi thì phần lớn phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra dưới tác động của neutron nhanh có năng lượng lớn hơn 10 keV. Một lò phản ứng không có bộ điều tiết - lò phản ứng neutron nhanh - chỉ có thể trở nên quan trọng khi sử dụng uranium tự nhiên được làm giàu bằng đồng vị U đến nồng độ khoảng 10%.
Trong lõi của lò phản ứng neutron chậm có các nguyên tố nhiên liệu chứa hỗn hợp U và U và một chất điều tiết trong đó neutron được làm chậm lại ở mức năng lượng khoảng 1 eV. Yếu tố nhiên liệu (yếu tố nhiên liệu) Chúng là những khối vật liệu phân hạch được bao bọc trong một lớp vỏ kín có khả năng hấp thụ neutron yếu. Do năng lượng phân hạch, các phần tử nhiên liệu nóng lên và phản xạ năng lượng tới chất làm mát lưu thông trong các kênh.
Yêu cầu kỹ thuật cao đối với thanh nhiên liệu: thiết kế đơn giản; độ ổn định cơ học và độ bền của dòng chất làm mát, đảm bảo duy trì kích thước và độ kín; sự hấp thụ neutron thấp bởi vật liệu cấu trúc của TVEL và tối thiểu vật liệu cấu trúc trong lõi; không có sự tương tác của nhiên liệu hạt nhân và các sản phẩm phân hạch với lớp bọc của thanh nhiên liệu, chất làm mát và chất điều tiết ở nhiệt độ vận hành. Hình dạng hình học của thanh nhiên liệu phải đảm bảo tỷ lệ yêu cầu giữa diện tích bề mặt và thể tích và cường độ loại bỏ nhiệt tối đa của chất làm mát khỏi toàn bộ bề mặt của thanh nhiên liệu, cũng như đảm bảo đốt cháy lớn nhiên liệu hạt nhân và mức độ cao. khả năng lưu giữ các sản phẩm phân hạch. Các thanh nhiên liệu phải có khả năng chống bức xạ, đơn giản, hiệu quả trong việc tái tạo nhiên liệu hạt nhân và chi phí thấp, đồng thời có kích thước và thiết kế theo yêu cầu, đảm bảo khả năng thực hiện nhanh chóng các hoạt động nạp lại.
Vì lý do an toàn, độ kín đáng tin cậy của vỏ thanh nhiên liệu phải được duy trì trong suốt thời gian hoạt động của lõi.
(3–5 năm) và sau đó lưu trữ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng cho đến khi được gửi đi tái chế (1–3 năm). Khi thiết kế lõi, cần thiết lập và biện minh trước các giới hạn hư hỏng cho phép đối với thanh nhiên liệu (số lượng và mức độ hư hỏng). Lõi được thiết kế sao cho trong suốt quá trình vận hành trong suốt thời gian sử dụng thiết kế của nó, các giới hạn đã thiết lập về hư hỏng thanh nhiên liệu không được vượt quá. Việc đáp ứng các yêu cầu này được đảm bảo bởi thiết kế lõi, chất lượng chất làm mát, đặc tính và độ tin cậy của hệ thống loại bỏ nhiệt. Trong quá trình vận hành, độ kín của vỏ của từng thanh nhiên liệu có thể bị hỏng. Có hai loại vi phạm như vậy: hình thành các vết nứt nhỏ qua đó các sản phẩm phân hạch khí thoát ra khỏi thành phần nhiên liệu vào chất làm mát (khiếm khuyết loại mật độ khí); có thể xảy ra các khuyết tật trong đó nhiên liệu có thể tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát.
Phản ứng dây chuyền được điều khiển bằng các thanh điều khiển đặc biệt làm bằng vật liệu hấp thụ mạnh neutron (ví dụ boron, cadmium). Bằng cách thay đổi số lượng và độ sâu ngâm của các thanh điều khiển, có thể điều chỉnh dòng neutron, và do đó, điều chỉnh cường độ của phản ứng dây chuyền và sản sinh năng lượng.
Hiện nay, một số lượng lớn các mô hình lò phản ứng hạt nhân khác nhau đã được phát triển, khác nhau về loại nhiên liệu hạt nhân (uranium, plutonium), về thành phần hóa học của nhiên liệu hạt nhân (uranium, uranium dioxide), về loại chất làm mát (nước). , nước nặng, dung môi hữu cơ và các loại khác), theo loại chất điều tiết (graphit, nước, berili).
Các lò phản ứng trong đó phản ứng phân hạch hạt nhân được thực hiện chủ yếu bằng neutron có năng lượng lớn hơn 0,5 MeV được gọi là lò phản ứng neutron nhanh. Các lò phản ứng trong đó phần lớn các phản ứng phân hạch xảy ra do sự hấp thụ neutron trung gian bởi hạt nhân của các đồng vị phân hạch được gọi là lò phản ứng neutron trung gian (cộng hưởng).
Phổ biến nhất ở các nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng kênh công suất cao(RBMK) và (VVER).
Lõi RBMK có đường kính 11,8 m và cao 7 m, là một khối hình trụ gồm các khối than chì - chất điều tiết. Mỗi khối có một lỗ cho một kênh công nghệ (tổng cộng 1700).
Mỗi kênh chứa hai thanh nhiên liệu ở dạng ống rỗng có đường kính 13,5 mm và dài 3,5 m, thành ống dày 0,9 mm và được làm bằng hợp kim zirconium. Các thanh nhiên liệu chứa đầy các viên uranium dioxide được làm giàu tới 2% U. Tổng khối lượng nhiên liệu trong lõi RBMK là 190 tấn. Trong quá trình vận hành lò phản ứng, các thanh nhiên liệu được làm mát bằng dòng chất làm mát (nước) đi qua các kênh công nghệ.
Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng RBMK-1000 được hiển thị trong Hình 2. 7.
Cơm. 7. Lò phản ứng neutron nhiệt kênh công suất cao
1 - máy phát điện tua-bin; 2 - thanh điều khiển; 3 - trống phân cách;
4 - tụ điện; 5 - chất điều tiết than chì; 6 - vùng hoạt động;
7 - thanh nhiên liệu; 8 - Vỏ bảo vệ bằng bê tông
Để kiểm soát phản ứng dây chuyền hạt nhân xảy ra trong các thanh nhiên liệu, các thanh điều chỉnh và điều khiển làm bằng cadmium hoặc boron, có khả năng hấp thụ neutron tốt, được đưa vào các kênh đặc biệt. Các thanh di chuyển tự do thông qua các kênh đặc biệt. Độ sâu ngâm của thanh điều khiển quyết định mức độ hấp thụ neutron. Dọc theo ngoại vi của lõi có một lớp phản xạ neutron - các khối than chì tương tự, nhưng không có kênh.
Ngăn than chì được bao quanh bởi một bể nước hình trụ bằng thép, được thiết kế để bảo vệ sinh học chống lại bức xạ neutron và gamma. Ngoài ra, lò phản ứng được đặt trong một trục bê tông có kích thước 21,6'21,6'25,5 m.
Do đó, các thành phần chính của RBMK là các thành phần nhiên liệu chứa đầy nhiên liệu hạt nhân, chất thay thế neutron và vật phản xạ, chất làm mát và thanh điều khiển dùng để kiểm soát sự phát triển của phản ứng phân hạch hạt nhân.
Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng loại RBMK như sau. Các neutron nhanh thứ cấp xuất hiện do sự phân hạch của hạt nhân U rời khỏi thanh nhiên liệu và đi vào chất điều tiết than chì. Khi đi qua chất điều tiết, chúng mất đi một phần năng lượng đáng kể và do đã ở trạng thái nhiệt, chúng lại rơi vào một trong các thanh nhiên liệu lân cận và tham gia vào quá trình phân hạch tiếp theo của hạt nhân U. Năng lượng của hạt nhân. Phản ứng dây chuyền được giải phóng dưới dạng động năng của các “mảnh” (80%), neutron thứ cấp, hạt alpha, hạt beta và lượng tử gamma, làm nóng các thanh nhiên liệu và lớp lót than chì của chất điều tiết. Chất làm mát là nước, di chuyển trong các kênh công nghệ từ dưới lên trên dưới áp suất khoảng 7 MPa và làm mát lõi lò phản ứng. Kết quả là chất làm mát được làm nóng đến nhiệt độ 285°C ở đầu ra của lò phản ứng.
Tiếp theo, hỗn hợp hơi nước được vận chuyển qua đường ống đến thiết bị phân tách, dùng để tách nước khỏi hơi nước. Hơi bão hòa tách ra dưới áp suất rơi vào các cánh tuabin nối với máy phát điện.
Hơi thải được đưa đến thiết bị ngưng tụ của quá trình, ngưng tụ, trộn với chất làm mát đến từ thiết bị phân tách và dưới áp suất do bơm tuần hoàn tạo ra, nó lại đi vào các kênh xử lý của lõi lò phản ứng.
Ưu điểm của các lò phản ứng như vậy là khả năng thay thế các thanh nhiên liệu mà không cần dừng lò phản ứng và khả năng giám sát tình trạng lò phản ứng theo từng kênh. Nhược điểm của lò phản ứng RMBK bao gồm độ ổn định vận hành thấp ở mức công suất thấp, tốc độ của hệ thống điều khiển bảo vệ không đủ và sử dụng mạch một mạch, trong đó có khả năng thực sự bị nhiễm phóng xạ của máy phát điện tua-bin.
Trong số các lò phản ứng hoạt động bằng neutron nhiệt, loại được sử dụng rộng rãi nhất ở nhiều nước trên thế giới là lò phản ứng điện nước áp lực.
Lò phản ứng loại này bao gồm các bộ phận cấu trúc chính sau: vỏ có nắp, chứa các thanh nhiên liệu được lắp ráp thành băng cassette; điều khiển và bảo vệ, tấm chắn nhiệt, đồng thời hoạt động như một vật phản xạ neutron và bảo vệ sinh học (Hình 8).
Thùng VVER là một thùng hình trụ có thành dày thẳng đứng làm bằng thép hợp kim cường độ cao, cao 12–25 m và đường kính 3–8 m (tùy thuộc vào công suất lò phản ứng). Thùng lò phản ứng được bịt kín từ trên cao bằng nắp hình cầu bằng thép lớn.
Cơm. 8. Sơ đồ nhà máy VVER-1000:
1 - tấm chắn nhiệt; 2 - khung; 3 - nắp ; 4 - đường ống mạch sơ cấp;
5 - đường ống mạch thứ cấp; 6 - tua bin hơi nước; 7 - máy phát điện;
8 - tụ điện xử lý; 9 , 11 - bơm tuần hoàn;
10 - máy tạo hơi nước; 12 - thanh nhiên liệu
Thùng lò phản ứng được lắp đặt trong vỏ bê tông, đây là một trong những rào cản bảo vệ bức xạ. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng nước điều áp nối tiếp có công suất điện 440 MW (VVER-440) như sau. Việc loại bỏ nhiệt từ lõi lò phản ứng hạt nhân được thực hiện bằng sơ đồ mạch kép. Chất làm mát (nước) của mạch sơ cấp, có nhiệt độ 270°C, được cung cấp qua đường ống đến lõi lò phản ứng dưới áp suất cao khoảng 12,5 MPa, được duy trì bằng bơm tuần hoàn. Đi qua lõi, chất làm mát nóng lên tới 300°C (áp suất cao trong mạch không cho nước sôi) rồi đi vào bộ tạo hơi nước.
Trong máy tạo hơi nước, chất làm mát sơ cấp truyền nhiệt của nó sang nước cấp thứ cấp, ở áp suất thấp hơn (khoảng 4,4 MPa). Do đó, nước trong mạch thứ cấp sôi lên và biến thành hơi không phóng xạ, được cung cấp qua đường dẫn hơi tới tua bin hơi nối với máy phát điện. Hơi thải được làm mát trong thiết bị ngưng tụ của quá trình và dưới tác động của bơm cấp liệu, nước ngưng lại đi vào bộ tạo hơi nước. Sơ đồ loại bỏ nhiệt hai mạch đảm bảo an toàn bức xạ của nhà máy điện hạt nhân.
Triển vọng phát triển năng lượng hạt nhân hiện nay gắn liền với việc xây dựng các lò phản ứng neutron nhanh. Ngoài ra, các lò phản ứng, cùng với việc sản xuất điện, cho phép tái tạo mở rộng nhiên liệu hạt nhân, liên quan đến chu trình nhiên liệu không chỉ U hoặc Pu phân hạch với neutron nhiệt, mà còn cả U và Th (hàm lượng của nó trong vỏ trái đất xấp xỉ 4 cao hơn nhiều lần so với uranium tự nhiên).
Trong lõi của lò phản ứng neutron nhanh, các thanh nhiên liệu có độ giàu nhiên liệu cao được đặt. Lõi được bao quanh bởi một vùng sinh sản bao gồm các thanh nhiên liệu chứa nguyên liệu nhiên liệu thô (uranium nghèo, thorium). Các neutron thoát ra khỏi lõi bị hạt nhân của nguyên liệu nhiên liệu bắt giữ trong vùng sinh sản, dẫn đến sự hình thành nhiên liệu hạt nhân mới. Ưu điểm đặc biệt của các lò phản ứng nhanh là khả năng tổ chức tái sản xuất nhiên liệu hạt nhân mở rộng trong đó, tức là đồng thời với việc tạo ra năng lượng, có thể sản xuất nhiên liệu hạt nhân mới thay vì nhiên liệu hạt nhân đã cháy hết. Lò phản ứng nhanh không cần bộ điều tiết và chất làm mát không cần làm chậm neutron.
Không có chất điều tiết trong lõi của lò phản ứng neutron nhanh; do đó, thể tích của lõi lò phản ứng nhỏ hơn nhiều lần so với RBMK hoặc VVER và xấp xỉ 2 m 3 . Pu được sản xuất nhân tạo hoặc uranium được làm giàu ở mức độ cao (hơn 20%) được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân trong các lò phản ứng.
Lõi của lò phản ứng BN-600 chứa 370 cụm nhiên liệu, mỗi cụm chứa 127 thanh nhiên liệu và 27 thanh hệ thống điều khiển và bảo vệ khẩn cấp.
Để loại bỏ năng lượng nhiệt trong lõi lò phản ứng BN-600, sơ đồ công nghệ ba mạch được sử dụng (Hình 9).
Trong mạch thứ nhất và thứ hai, natri lỏng được sử dụng làm chất làm mát, điểm nóng chảy là 98 ° C, nó có khả năng hấp thụ và điều tiết neutron thấp.
Natri lỏng của mạch sơ cấp ở đầu ra lò phản ứng có nhiệt độ 550°C và đi vào bộ trao đổi nhiệt trung gian. Ở đó, nó truyền nhiệt đến chất làm mát của mạch thứ cấp, chất làm mát này cũng được sử dụng làm natri lỏng. Chất làm mát của mạch thứ hai đi vào bộ tạo hơi nước, tại đây nước, chất làm mát của mạch tuần hoàn thứ ba, được chuyển thành hơi nước. Hơi nước được tạo ra trong máy tạo hơi nước ở áp suất 14 MPa đi vào tuabin của máy phát điện. Sau khi làm mát trong thiết bị ngưng tụ, hơi thải được bơm quay trở lại bộ tạo hơi nước. Do đó, sơ đồ loại bỏ nhiệt tại nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng BN-600 bao gồm một mạch phóng xạ và hai mạch không phóng xạ. Thời gian hoạt động của máy phát điện BN-600 giữa các lần tiếp nhiên liệu là 150 ngày.
Cơm. 9. Sơ đồ công nghệ nhà máy điện hạt nhân lò phản ứng neutron nhanh:
1 - lõi thanh nhiên liệu; 2 – thanh nhiên liệu của khu chăn nuôi; 3 - bình phản ứng;
4
– thùng lò phản ứng bê tông; 5
- chất làm mát sơ cấp;
6
- chất làm mát thứ cấp; 7
- chất làm mát mạch thứ ba;
8 - tua bin hơi nước; 9 - máy phát điện; 10 - tụ điện xử lý;
11 - máy tạo hơi nước; 12 - bộ trao đổi nhiệt trung gian;
13 – bơm tuần hoàn
Trong quá trình vận hành các nhà máy điện hạt nhân, ngoài các vấn đề liên quan đến việc xử lý chất thải có tính phóng xạ cao từ chu trình nhiên liệu hạt nhân (NFC), các vấn đề khác còn phát sinh do tuổi thọ của các lò phản ứng hạt nhân (20–40 năm). Sau khi kết thúc thời gian sử dụng, các lò phản ứng phải được ngừng hoạt động, nhiên liệu hạt nhân và chất làm mát phải được loại bỏ khỏi lõi của chúng. Bản thân lò phản ứng đang bị đóng băng hoặc tháo dỡ. Thế giới có rất ít kinh nghiệm trong việc tháo dỡ các lò phản ứng hạt nhân đã qua sử dụng.
1. Thông tin chung về nguyên tử và hạt nhân nguyên tử. Hiện tượng phóng xạ.
2. Định luật cơ bản về phân rã phóng xạ. Hoạt động và đơn vị đo lường của nó.
3. Sự phân hạch của hạt nhân nặng và phản ứng phân hạch dây chuyền.
4. Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân và đặc điểm của chúng là gì?
5. Nêu đặc điểm chính của lò phản ứng VVER-1000 và RBMK-1000. Sự khác biệt của họ là gì?
6. Đặc điểm chính của lò phản ứng neutron nhanh BN-600.
BÀI GIẢNG 4. BỨC XẠ ION HÓA,
ĐẶC ĐIỂM VÀ TƯƠNG TÁC CỦA CHÚNG
Slide 11. Trong lõi của lò phản ứng neutron nhanh, các thanh nhiên liệu chứa nhiên liệu 235U được làm giàu cao được đặt. Vùng hoạt động được bao quanh bởi vùng sinh sản bao gồm
từ các phần tử nhiên liệu chứa nguyên liệu nhiên liệu (cạn kiệt 228U hoặc 232Th). Các neutron thoát ra khỏi lõi bị hạt nhân của nguyên liệu nhiên liệu bắt giữ trong vùng sinh sản, dẫn đến sự hình thành nhiên liệu hạt nhân mới. Ưu điểm của các lò phản ứng nhanh là khả năng tổ chức tái sản xuất nhiên liệu hạt nhân mở rộng trong đó, tức là. đồng thời với sản xuất năng lượng, sản xuất nhiên liệu hạt nhân mới thay cho nhiên liệu hạt nhân bị đốt cháy. Lò phản ứng nhanh không cần bộ điều tiết và chất làm mát không cần làm chậm neutron.
Mục đích chính của lò phản ứng neutron nhanh là sản xuất plutonium cấp độ vũ khí (và một số loại Actinide phân hạch khác), các thành phần của vũ khí nguyên tử. Nhưng các lò phản ứng như vậy cũng được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là để đảm bảo tái tạo mở rộng plutonium 239Pu có thể phân hạch từ 238U nhằm đốt cháy tất cả hoặc một phần đáng kể uranium tự nhiên, cũng như trữ lượng uranium cạn kiệt hiện có. Với sự phát triển của lĩnh vực năng lượng của các lò phản ứng neutron nhanh, vấn đề tự cung cấp năng lượng hạt nhân bằng nhiên liệu có thể được giải quyết.
Trang trình bày 12. Lò phản ứng Breeder, lò phản ứng hạt nhân trong đó quá trình “đốt cháy” nhiên liệu hạt nhân đi kèm với việc tái tạo nhiên liệu thứ cấp mở rộng. Trong lò phản ứng tái tạo, neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch nhiên liệu hạt nhân (ví dụ: 235U) tương tác với hạt nhân của nguyên liệu thô được đặt trong lò phản ứng (ví dụ: 238U), dẫn đến hình thành nhiên liệu hạt nhân thứ cấp (239Pu) . Trong lò phản ứng kiểu tái tạo, nhiên liệu được tái tạo và đốt cháy là các đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học (ví dụ, 235U được đốt cháy, 233U được tái tạo), trong lò phản ứng loại chuyển đổi lò phản ứng - đồng vị của các nguyên tố hóa học khác nhau (ví dụ, 235U bị đốt cháy, 239Pu được tái tạo).
Trong các lò phản ứng nhanh, nhiên liệu hạt nhân là hỗn hợp được làm giàu chứa ít nhất 15% đồng vị 235U. Một lò phản ứng như vậy cung cấp khả năng tái tạo nhiên liệu hạt nhân mở rộng (trong đó, cùng với sự biến mất của các nguyên tử có khả năng phân hạch, một số trong số chúng được tái sinh (ví dụ, sự hình thành 239Pu)). Số lượng phân hạch chủ yếu là do neutron nhanh gây ra và mỗi hành động phân hạch đều kèm theo sự xuất hiện của một số lượng lớn neutron (so với phân hạch bằng neutron nhiệt), khi bị hạt nhân 238U bắt giữ sẽ biến đổi chúng (thông qua hai β liên tiếp). -phân rã) thành hạt nhân 239Pu, tức là nhiên liệu hạt nhân mới. Điều này có nghĩa là, ví dụ, đối với 100 hạt nhân nhiên liệu phân hạch (235U) trong lò phản ứng neutron nhanh, 150 hạt nhân 239Pu có khả năng phân hạch được hình thành. (Hệ số tái tạo của các lò phản ứng như vậy đạt tới 1,5, tức là, cứ 1 kg 235U thì thu được tới 1,5 kg Pu). 239Pu có thể được sử dụng trong lò phản ứng như một nguyên tố phân hạch.
Từ quan điểm phát triển năng lượng toàn cầu, ưu điểm của lò phản ứng neutron nhanh (BN) là cho phép sử dụng làm nhiên liệu đồng vị của các nguyên tố nặng không có khả năng phân hạch trong lò phản ứng neutron nhiệt. Chu trình nhiên liệu có thể bao gồm trữ lượng 238U và 232Th, về bản chất lớn hơn nhiều so với 235U, nhiên liệu chính cho các lò phản ứng neutron nhiệt. Cái gọi là "uranium thải" còn lại sau khi làm giàu nhiên liệu hạt nhân bằng 235U cũng có thể được sử dụng. Lưu ý rằng plutonium cũng được sản xuất trong các lò phản ứng thông thường nhưng với số lượng nhỏ hơn nhiều.
Slide 13. BN - lò phản ứng hạt nhân, sử dụng neutron nhanh. Lò phản ứng tạo giống tàu. Chất làm mát mạch sơ cấp và thứ cấp thường là natri. Chất làm mát mạch thứ ba là nước và hơi nước. Lò phản ứng nhanh không có người điều hành.
Ưu điểm của lò phản ứng nhanh bao gồm mức độ đốt cháy nhiên liệu cao (tức là thời gian vận động dài hơn) và nhược điểm là chi phí cao do không thể sử dụng chất làm mát đơn giản nhất - nước, cấu trúc phức tạp, chi phí vốn cao và chi phí xây dựng cao. nhiên liệu có độ giàu cao.
Uranium được làm giàu ở mức độ cao là uranium có hàm lượng khối lượng đồng vị uranium-235 bằng hoặc lớn hơn 20%. Để đảm bảo nồng độ nhiên liệu hạt nhân cao, cần đạt được mức giải phóng nhiệt tối đa trên một đơn vị thể tích của lõi. Sự giải phóng nhiệt của lò phản ứng neutron nhanh cao gấp 10 đến 15 lần so với sự giải phóng nhiệt của lò phản ứng neutron chậm. Việc loại bỏ nhiệt trong lò phản ứng như vậy chỉ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng chất làm mát kim loại lỏng, chẳng hạn như natri, kali hoặc chất làm mát khí tiêu tốn nhiều năng lượng có đặc tính nhiệt và vật lý tốt nhất, chẳng hạn như khí heli và khí phân ly. Thông thường các kim loại lỏng được sử dụng, chẳng hạn như natri nóng chảy (natri có nhiệt độ nóng chảy 98 °C). Những nhược điểm của natri bao gồm khả năng phản ứng hóa học cao đối với nước, không khí và nguy cơ cháy. Nhiệt độ của chất làm mát ở đầu vào lò phản ứng là 370 ° C, và ở đầu ra - 550, cao hơn mười lần so với các chỉ số tương tự, chẳng hạn, đối với VVER - ở đó nhiệt độ nước ở đầu vào là 270 độ, và tại ổ cắm - 293.
Neutron?
Neutron là các hạt là một phần của hầu hết các hạt nhân nguyên tử, cùng với proton. Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, hạt nhân uranium tách thành hai phần và ngoài ra còn phát ra một số neutron. Chúng có thể xâm nhập vào các nguyên tử khác và kích hoạt một hoặc nhiều phản ứng phân hạch. Nếu mỗi neutron được giải phóng trong quá trình phân rã của hạt nhân uranium chạm vào các nguyên tử lân cận, thì một chuỗi phản ứng giống như tuyết lở sẽ bắt đầu bằng việc giải phóng ngày càng nhiều năng lượng. Nếu không có biện pháp ngăn chặn, vụ nổ hạt nhân sẽ xảy ra.
Nhưng trong lò phản ứng hạt nhân, một số neutron thoát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất hấp thụ đặc biệt. Do đó, số lượng phản ứng phân hạch luôn giữ nguyên, chính xác là số lượng cần thiết để thu được năng lượng. Năng lượng từ phản ứng phân rã phóng xạ tạo ra nhiệt, sau đó được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tua-bin của nhà máy điện.
Các neutron giữ cho phản ứng hạt nhân không đổi có thể có năng lượng khác nhau. Tùy theo năng lượng mà chúng được gọi là nhiệt hoặc nhanh (cũng có loại lạnh nhưng không phù hợp với nhà máy điện hạt nhân). Hầu hết các lò phản ứng trên thế giới đều dựa trên việc sử dụng neutron nhiệt, nhưng NPP Beloyarsk có lò phản ứng nhanh. Tại sao?
Những lợi thế là gì?
Trong lò phản ứng neutron nhanh, một phần năng lượng neutron, giống như trong các lò phản ứng thông thường, dùng để duy trì phản ứng phân hạch của thành phần chính của nhiên liệu hạt nhân, uranium-235. Và một phần năng lượng được hấp thụ bởi lớp vỏ làm từ uranium-238 hoặc thorium-232. Những yếu tố này là vô dụng đối với các lò phản ứng thông thường. Khi neutron chạm vào hạt nhân của chúng, chúng biến thành các đồng vị thích hợp để sử dụng trong năng lượng hạt nhân làm nhiên liệu: plutonium-239 hoặc uranium-233.
Uranium đã làm giàu. Không giống như nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, uranium gần như không có tính phóng xạ đến mức chỉ cần robot xử lý. Bạn thậm chí có thể cầm nó trong thời gian ngắn bằng tay đeo găng tay dày. Ảnh: Bộ Năng lượng Mỹ
Do đó, các lò phản ứng neutron nhanh có thể được sử dụng không chỉ để cung cấp năng lượng cho các thành phố và nhà máy mà còn để sản xuất nhiên liệu hạt nhân mới từ những nguyên liệu thô tương đối rẻ tiền. Các sự kiện sau đây có lợi cho lợi ích kinh tế: một kg uranium nấu chảy từ quặng có giá khoảng 50 đô la, chỉ chứa hai gam uranium-235 và phần còn lại là uranium-238.
Tuy nhiên, lò phản ứng neutron nhanh thực tế không được sử dụng trên thế giới. BN-600 có thể được coi là độc nhất. Cả Monju của Nhật Bản, Phoenix của Pháp cũng như một số lò phản ứng thử nghiệm ở Mỹ và Anh hiện đang hoạt động: các lò phản ứng neutron nhiệt hóa ra lại dễ xây dựng và vận hành hơn. Có một số trở ngại trên con đường hướng tới các lò phản ứng có thể kết hợp sản xuất năng lượng với sản xuất nhiên liệu hạt nhân. Và đánh giá bằng hoạt động thành công của nó trong 35 năm, các nhà thiết kế của BN-600 đã có thể vượt qua ít nhất một số trở ngại.
Vấn đề là gì?
Trong natri. Bất kỳ lò phản ứng hạt nhân nào cũng phải có một số thành phần và bộ phận: cụm nhiên liệu chứa nhiên liệu hạt nhân, các bộ phận kiểm soát phản ứng hạt nhân và chất làm mát giúp hấp thụ nhiệt sinh ra trong thiết bị. Thiết kế của các bộ phận này, thành phần của nhiên liệu và chất làm mát có thể khác nhau, nhưng theo định nghĩa thì không thể có lò phản ứng nếu không có chúng.
Trong lò phản ứng neutron nhanh, cần sử dụng vật liệu làm chất làm mát không giữ lại neutron, nếu không chúng sẽ chuyển từ nhanh sang chậm, nhiệt. Vào buổi bình minh của năng lượng hạt nhân, các nhà thiết kế đã thử sử dụng thủy ngân, nhưng nó làm hòa tan các đường ống bên trong lò phản ứng và bắt đầu rò rỉ ra bên ngoài. Kim loại độc hại bị nung nóng, cũng trở nên phóng xạ dưới ảnh hưởng của bức xạ, gây ra nhiều rắc rối đến mức dự án lò phản ứng thủy ngân nhanh chóng bị bỏ dở.
Những miếng natri thường được bảo quản dưới một lớp dầu hỏa. Mặc dù chất lỏng này dễ cháy nhưng nó không phản ứng với natri và không giải phóng hơi nước từ không khí vào nó. Ảnh: Superplus / Wikipedia
BN-600 sử dụng natri lỏng. Thoạt nhìn, natri tốt hơn thủy ngân một chút: nó cực kỳ hoạt động về mặt hóa học, phản ứng dữ dội với nước (nói cách khác, nó phát nổ nếu ném vào nước) và phản ứng ngay cả với các chất có trong bê tông. Tuy nhiên, nó không gây trở ngại cho neutron và với trình độ xây dựng phù hợp cũng như bảo trì sau đó, nguy cơ rò rỉ là không lớn. Ngoài ra, natri, không giống như hơi nước, có thể được bơm ở áp suất bình thường. Một luồng hơi nước từ đường ống dẫn hơi bị đứt dưới áp suất hàng trăm atm sẽ cắt kim loại, vì vậy, theo nghĩa này, natri an toàn hơn. Đối với hoạt động hóa học, nó cũng có thể được sử dụng cho mục đích tốt. Trong trường hợp xảy ra tai nạn, natri không chỉ phản ứng với bê tông mà còn với iốt phóng xạ. Natri iodua không còn rời khỏi tòa nhà nhà máy điện hạt nhân, trong khi iốt dạng khí chiếm gần một nửa lượng khí thải trong vụ tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân ở Fukushima.
Các kỹ sư Liên Xô phát triển lò phản ứng neutron nhanh lần đầu tiên chế tạo BR-2 thử nghiệm (loại không thành công tương tự với thủy ngân), sau đó là BR-5 và BOR-60 thử nghiệm với natri thay vì thủy ngân. Dữ liệu thu được từ họ giúp thiết kế lò phản ứng “nhanh” công nghiệp đầu tiên BN-350, được sử dụng tại nhà máy năng lượng và hóa chất hạt nhân độc đáo - nhà máy điện hạt nhân kết hợp với nhà máy khử mặn nước biển. Tại NPP Beloyarsk, lò phản ứng thứ hai thuộc loại BN - "natri nhanh" - đã được chế tạo.
Bất chấp kinh nghiệm tích lũy được vào thời điểm BN-600 được ra mắt, những năm đầu tiên vẫn bị hủy hoại bởi hàng loạt vụ rò rỉ natri lỏng. Không có sự cố nào trong số này gây ra mối đe dọa phóng xạ cho người dân hoặc khiến nhân viên nhà máy bị phơi nhiễm nghiêm trọng, và kể từ đầu những năm 1990, việc rò rỉ natri đã hoàn toàn chấm dứt. Đặt điều này vào bối cảnh toàn cầu, Monju của Nhật Bản đã gặp phải vụ rò rỉ natri lỏng nghiêm trọng vào năm 1995, dẫn đến hỏa hoạn và đóng cửa nhà máy trong 15 năm. Chỉ các nhà thiết kế Liên Xô đã thành công trong việc biến ý tưởng về lò phản ứng neutron nhanh thành một thiết bị công nghiệp chứ không phải thử nghiệm, kinh nghiệm của họ đã cho phép các nhà khoa học hạt nhân Nga phát triển và chế tạo lò phản ứng thế hệ tiếp theo - BN-800.
BN-800 đã được chế tạo. Vào ngày 27 tháng 6 năm 2014, lò phản ứng bắt đầu hoạt động ở công suất tối thiểu và dự kiến sẽ khởi động điện vào năm 2015. Vì khởi động lò phản ứng hạt nhân là một quá trình rất phức tạp nên các chuyên gia tách riêng giai đoạn khởi động vật lý (khởi đầu của phản ứng dây chuyền tự duy trì) và khởi động năng lượng, trong đó đơn vị năng lượng bắt đầu cung cấp megawatt điện đầu tiên. vào mạng.
Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, bảng điều khiển. Ảnh từ trang web chính thức: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Ở BN-800, các nhà thiết kế đã thực hiện một số cải tiến quan trọng, chẳng hạn như hệ thống làm mát không khí khẩn cấp cho lò phản ứng. Các nhà phát triển cho biết ưu điểm của nó là độc lập với các nguồn năng lượng. Nếu, như ở Fukushima, điện ở nhà máy điện hạt nhân biến mất, thì dòng chảy của lò phản ứng làm mát vẫn sẽ không biến mất - quá trình tuần hoàn sẽ được duy trì một cách tự nhiên, do sự đối lưu, sự bốc lên của không khí nóng. Và nếu lõi tan chảy đột ngột, chất phóng xạ tan chảy sẽ không thoát ra ngoài mà đi vào một cái bẫy đặc biệt. Cuối cùng, khả năng bảo vệ khỏi quá nhiệt là một nguồn cung cấp natri lớn, trong trường hợp xảy ra tai nạn có thể hấp thụ nhiệt sinh ra ngay cả khi tất cả các hệ thống làm mát bị hỏng hoàn toàn.
Sau BN-800, người ta dự định xây dựng lò phản ứng BN-1200 với công suất lớn hơn nữa. Các nhà phát triển kỳ vọng rằng đứa con tinh thần của họ sẽ trở thành một lò phản ứng nối tiếp và sẽ không chỉ được sử dụng tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk mà còn ở các trạm khác. Tuy nhiên, hiện tại đây mới chỉ là những kế hoạch; để chuyển đổi quy mô lớn sang các lò phản ứng neutron nhanh, một số vấn đề vẫn cần được giải quyết.
Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, công trường xây dựng tổ máy điện mới. Ảnh từ trang web chính thức: http://www.belnpp.rosenergoatom.ru
Vấn đề là gì?
Trong kinh tế và sinh thái nhiên liệu. Lò phản ứng neutron nhanh hoạt động dựa trên hỗn hợp oxit uranium đã làm giàu và oxit plutonium - đây được gọi là nhiên liệu mox. Về mặt lý thuyết, nó có thể rẻ hơn nhiên liệu thông thường do nó sử dụng plutonium hoặc uranium-233 từ uranium-238 hoặc thorium rẻ tiền được chiếu xạ trong các lò phản ứng khác, nhưng cho đến nay nhiên liệu mox có giá thấp hơn nhiên liệu thông thường. Nó hóa ra là một loại vòng luẩn quẩn không dễ phá vỡ: cần phải tinh chỉnh công nghệ xây dựng lò phản ứng, tách plutonium và uranium từ vật liệu được chiếu xạ trong lò phản ứng và đảm bảo kiểm soát không phổ biến các vật liệu cấp cao. Một số nhà sinh thái học, chẳng hạn như đại diện của trung tâm phi lợi nhuận Bellona, chỉ ra khối lượng lớn chất thải được tạo ra khi xử lý vật liệu được chiếu xạ, bởi vì cùng với các đồng vị có giá trị trong lò phản ứng neutron nhanh, một lượng đáng kể các hạt nhân phóng xạ được hình thành cần phải được xử lý. được chôn ở đâu đó.
Nói cách khác, ngay cả việc vận hành thành công lò phản ứng neutron nhanh cũng không đảm bảo cho một cuộc cách mạng về năng lượng hạt nhân. Đó là điều kiện cần nhưng chưa đủ để chuyển từ nguồn dự trữ uranium-235 hạn chế sang uranium-238 và thorium-232 dễ tiếp cận hơn nhiều. Liệu các nhà công nghệ tham gia vào quá trình tái chế nhiên liệu hạt nhân và xử lý chất thải hạt nhân có thể đáp ứng được nhiệm vụ của họ hay không là một chủ đề cho một câu chuyện riêng.
Ngày 25 tháng 12 năm 2013
Một đại diện của Rosenergoatom nói với RIA Novosti rằng giai đoạn khởi động vật lý của lò phản ứng neutron nhanh BN-800 đã bắt đầu vào hôm nay tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk.
Trong giai đoạn này, có thể kéo dài vài tuần, lò phản ứng sẽ được đổ đầy natri lỏng và sau đó nhiên liệu hạt nhân sẽ được nạp vào đó. Đại diện của Rosenergoatom giải thích rằng sau khi hoàn thành quá trình khởi động vật lý, tổ máy điện sẽ được công nhận là cơ sở hạt nhân.
Tổ máy số 4 với lò phản ứng BN-800 của Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk (BNPP) sẽ đạt công suất tối đa vào cuối năm 2014, Phó Tổng Giám đốc thứ nhất của tập đoàn nhà nước Rosatom Alexander Lokshin nói với các phóng viên hôm thứ Tư.
Ông nói: “Đơn vị này sẽ đạt công suất tối đa vào cuối năm nay”, đồng thời làm rõ rằng chúng ta đang nói về thời điểm cuối năm 2014.
Theo ông, mạch hiện đang được lấp đầy bằng natri và dự kiến hoàn thành việc phóng vật lý vào giữa tháng 4. Theo ông, bộ nguồn đã sẵn sàng 99,8% để khởi động vật lý. Theo ghi nhận của Tổng Giám đốc Rosenergoatom Concern OJSC, Evgeny Romanov, cơ sở này dự kiến sẽ khởi động điện vào cuối mùa hè.
Tổ máy điện với lò phản ứng BN-800 là sự phát triển của lò phản ứng BN-600 độc nhất tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, đã hoạt động thử nghiệm trong khoảng 30 năm. Rất ít quốc gia trên thế giới có công nghệ lò phản ứng neutron nhanh và Nga là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này.
Hãy cùng tìm hiểu thêm về nó...
Sảnh lò phản ứng (trung tâm) BN-600
Cách Yekaterinburg 40 km, giữa những khu rừng Ural đẹp nhất, là thị trấn Zarechny. Năm 1964, nhà máy điện hạt nhân công nghiệp đầu tiên của Liên Xô là Beloyarskaya (với lò phản ứng AMB-100 công suất 100 MW) được khánh thành tại đây. Hiện nay, Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk vẫn là nơi duy nhất trên thế giới vận hành lò phản ứng năng lượng neutron nhanh công nghiệp - BN-600
Hãy tưởng tượng một nồi hơi làm bay hơi nước và tạo ra hơi nước làm quay một máy phát điện tua-bin tạo ra điện. Đây đại khái là cách một nhà máy điện hạt nhân hoạt động nói chung. Chỉ có “nồi hơi” mới là năng lượng phân rã nguyên tử. Thiết kế của các lò phản ứng điện có thể khác nhau, nhưng theo nguyên lý hoạt động, chúng có thể được chia thành hai nhóm - lò phản ứng neutron nhiệt và lò phản ứng neutron nhanh.
Cơ sở của bất kỳ lò phản ứng nào là sự phân hạch của hạt nhân nặng dưới tác dụng của neutron. Đúng, có sự khác biệt đáng kể. Trong các lò phản ứng nhiệt, uranium-235 bị phân hạch bởi các neutron nhiệt năng lượng thấp, tạo ra các mảnh phân hạch và các neutron năng lượng cao mới (gọi là neutron nhanh). Xác suất để một neutron nhiệt bị hấp thụ bởi hạt nhân uranium-235 (với sự phân hạch tiếp theo) cao hơn nhiều so với một neutron nhanh, vì vậy các neutron cần phải được làm chậm lại. Điều này được thực hiện với sự trợ giúp của các chất điều tiết—những chất mà khi va chạm với hạt nhân, neutron sẽ mất năng lượng.
Nhiên liệu cho lò phản ứng nhiệt thường là uranium có độ giàu thấp, than chì, nước nhẹ hoặc nặng được sử dụng làm chất điều tiết và nước thông thường được sử dụng làm chất làm mát. Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân đang vận hành đều được xây dựng theo một trong những sơ đồ này.
Các neutron nhanh được tạo ra do phản ứng phân hạch hạt nhân cưỡng bức có thể được sử dụng mà không cần bất kỳ sự điều tiết nào. Sơ đồ như sau: các neutron nhanh được tạo ra trong quá trình phân hạch hạt nhân uranium-235 hoặc plutonium-239 được uranium-238 hấp thụ để tạo thành (sau hai lần phân rã beta) plutonium-239. Hơn nữa, cứ 100 hạt nhân uranium-235 hoặc plutonium-239 phân hạch thì có 120–140 hạt nhân plutonium-239 được hình thành. Đúng, vì xác suất phân hạch hạt nhân của neutron nhanh thấp hơn so với neutron nhiệt, nhiên liệu phải được làm giàu ở mức độ lớn hơn so với nhiên liệu của lò phản ứng nhiệt. Ngoài ra, không thể loại bỏ nhiệt bằng nước ở đây (nước là chất điều tiết), vì vậy bạn phải sử dụng chất làm mát khác: thông thường đây là những kim loại lỏng và hợp kim, từ những lựa chọn rất kỳ lạ như thủy ngân (chất làm mát như vậy đã được sử dụng trong lò phản ứng thử nghiệm đầu tiên của Mỹ là Clementine) hoặc hợp kim chì - bismuth (được sử dụng trong một số lò phản ứng tàu ngầm - đặc biệt là tàu ngầm Đề án 705 của Liên Xô) đến natri lỏng (lựa chọn phổ biến nhất trong các lò phản ứng điện công nghiệp). Các lò phản ứng hoạt động theo sơ đồ này được gọi là lò phản ứng neutron nhanh. Ý tưởng về một lò phản ứng như vậy được Enrico Fermi đề xuất vào năm 1942. Tất nhiên, quân đội tỏ ra quan tâm sâu sắc nhất đến kế hoạch này: các lò phản ứng nhanh trong quá trình hoạt động không chỉ tạo ra năng lượng mà còn tạo ra plutonium cho vũ khí hạt nhân. Vì lý do này, lò phản ứng neutron nhanh còn được gọi là lò tạo giống (từ nhà tạo giống - nhà sản xuất ở Anh).
Những đường ngoằn ngoèo của lịch sử
Điều thú vị là lịch sử năng lượng hạt nhân thế giới bắt đầu chính xác từ lò phản ứng neutron nhanh. Vào ngày 20 tháng 12 năm 1951, lò phản ứng năng lượng neutron nhanh đầu tiên trên thế giới, EBR-I (Lò phản ứng tạo giống thử nghiệm), với công suất điện chỉ 0,2 MW, đi vào hoạt động ở Idaho. Sau đó, vào năm 1963, một nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng neutron nhanh Fermi đã được đưa vào hoạt động gần Detroit - vốn đã có công suất khoảng 100 MW (năm 1966 đã xảy ra một vụ tai nạn nghiêm trọng làm tan chảy một phần lõi, nhưng không gây hậu quả gì cho môi trường hoặc con người).
Ở Liên Xô, từ cuối những năm 1940, Alexander Leypunsky đã nghiên cứu chủ đề này, dưới sự lãnh đạo của ông, nền tảng của lý thuyết về lò phản ứng nhanh đã được phát triển tại Viện Vật lý và Năng lượng Obninsk (FEI) và một số phòng thí nghiệm đã được xây dựng, khiến cho có thể nghiên cứu tính chất vật lý của quá trình. Theo kết quả nghiên cứu, năm 1972, nhà máy điện hạt nhân neutron nhanh đầu tiên của Liên Xô đã đi vào hoạt động tại thành phố Shevchenko (nay là Aktau, Kazakhstan) với lò phản ứng BN-350 (tên ban đầu là BN-250). Nó không chỉ tạo ra điện mà còn sử dụng nhiệt để khử muối trong nước. Chẳng bao lâu sau, nhà máy điện hạt nhân của Pháp với lò phản ứng nhanh Phenix (1973) và nhà máy điện hạt nhân của Anh với PFR (1974), cả hai đều có công suất 250 MW, đã được đưa vào hoạt động.
Tuy nhiên, vào những năm 1970, lò phản ứng neutron nhiệt bắt đầu thống trị ngành điện hạt nhân. Điều này là do nhiều lý do. Ví dụ, thực tế là các lò phản ứng nhanh có thể tạo ra plutonium, điều đó có nghĩa là điều này có thể dẫn đến vi phạm luật không phổ biến vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên, rất có thể yếu tố chính là do các lò phản ứng nhiệt đơn giản hơn và rẻ hơn, thiết kế của chúng được phát triển trên các lò phản ứng quân sự dành cho tàu ngầm và bản thân uranium cũng rất rẻ. Số lò phản ứng năng lượng neutron nhanh công nghiệp đi vào hoạt động trên toàn thế giới sau năm 1980 có thể đếm trên đầu ngón tay: đó là Superphenix (Pháp, 1985–1997), Monju (Nhật Bản, 1994–1995) và BN-600 (Beloyarsk). NPP, 1980), hiện là lò phản ứng điện công nghiệp duy nhất đang hoạt động trên thế giới.
Cấu tạo BN-800
Họ đang quay lại
Tuy nhiên, hiện tại, sự chú ý của giới chuyên môn và dư luận lại tập trung vào các nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng neutron nhanh. Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) năm 2005, tổng trữ lượng uranium đã được chứng minh, chi phí khai thác không vượt quá 130 USD/kg, là khoảng 4,7 triệu tấn. Theo ước tính của IAEA, trữ lượng này sẽ kéo dài trong 85 năm (dựa trên mức nhu cầu uranium năm 2004 để sản xuất điện). Hàm lượng đồng vị 235 được “đốt cháy” trong các lò phản ứng nhiệt, trong uranium tự nhiên chỉ là 0,72%, còn lại là uranium-238, “vô dụng” đối với các lò phản ứng nhiệt. Tuy nhiên, nếu chúng ta chuyển sang sử dụng các lò phản ứng neutron nhanh có khả năng “đốt cháy” uranium-238 thì trữ lượng tương tự này sẽ tồn tại hơn 2500 năm!
Hơn nữa, lò phản ứng neutron nhanh có thể thực hiện chu trình nhiên liệu khép kín (hiện tại nó chưa được triển khai ở BN-600). Vì chỉ uranium-238 được “đốt cháy” sau khi xử lý (loại bỏ các sản phẩm phân hạch và bổ sung các phần mới của uranium-238), nhiên liệu có thể được nạp lại vào lò phản ứng. Và vì chu trình uranium-plutonium tạo ra nhiều plutonium hơn là phân rã nên nhiên liệu dư thừa có thể được sử dụng cho các lò phản ứng mới.
Hơn nữa, phương pháp này có thể được sử dụng để xử lý plutonium cấp độ vũ khí dư thừa, cũng như plutonium và các loại Actinide nhỏ (neptunium, Americaium, Curium) được chiết xuất từ nhiên liệu đã qua sử dụng từ các lò phản ứng nhiệt thông thường (các Actinide nhỏ hiện là một phần rất nguy hiểm của chất thải phóng xạ) . Đồng thời, lượng chất thải phóng xạ so với lò phản ứng nhiệt giảm hơn hai mươi lần.
Chỉ làm mịn trên giấy
Tại sao, bất chấp tất cả những lợi thế của chúng, các lò phản ứng neutron nhanh vẫn không được phổ biến rộng rãi? Điều này chủ yếu là do đặc thù của thiết kế của họ. Như đã đề cập ở trên, nước không thể được sử dụng làm chất làm mát vì nó là chất điều tiết neutron. Do đó, các lò phản ứng nhanh chủ yếu sử dụng kim loại ở trạng thái lỏng - từ hợp kim chì-bismuth kỳ lạ đến natri lỏng (lựa chọn phổ biến nhất cho các nhà máy điện hạt nhân).
Mikhail Bakanov, kỹ sư trưởng của NPP Beloyarsk, giải thích với Thủ tướng: “Trong các lò phản ứng neutron nhanh, tải nhiệt và bức xạ cao hơn nhiều so với trong các lò phản ứng nhiệt”. “Điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng vật liệu kết cấu đặc biệt cho thùng lò phản ứng và hệ thống bên trong lò phản ứng. Vỏ của thanh nhiên liệu và cụm nhiên liệu không được làm bằng hợp kim zirconi như trong lò phản ứng nhiệt mà bằng thép crom hợp kim đặc biệt, ít bị 'sưng' do bức xạ hơn. Mặt khác, ví dụ, thùng lò phản ứng không phải chịu tải trọng liên quan đến áp suất bên trong - nó chỉ cao hơn một chút so với áp suất khí quyển.”
Theo Mikhail Bakanov, trong những năm đầu vận hành, khó khăn chính là hiện tượng phồng phóng xạ và nứt nhiên liệu. Tuy nhiên, những vấn đề này đã sớm được giải quyết, các vật liệu mới đã được phát triển - cho cả nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu. Nhưng ngay cả bây giờ, các chiến dịch bị hạn chế không quá nhiều bởi mức độ đốt cháy nhiên liệu (trên BN-600 đạt 11%), mà bởi tuổi thọ tài nguyên của vật liệu tạo ra nhiên liệu, thanh nhiên liệu và cụm nhiên liệu. Các vấn đề vận hành tiếp theo chủ yếu liên quan đến rò rỉ natri trong mạch thứ cấp, một kim loại hoạt tính hóa học và nguy hiểm, phản ứng dữ dội khi tiếp xúc với không khí và nước: “Chỉ có Nga và Pháp mới có kinh nghiệm lâu năm trong việc vận hành các lò phản ứng điện neutron nhanh công nghiệp . Cả chúng tôi và các chuyên gia Pháp đều phải đối mặt với những vấn đề giống nhau ngay từ đầu. Chúng tôi đã giải quyết thành công chúng, ngay từ đầu đã cung cấp các phương tiện đặc biệt để theo dõi độ kín của mạch điện, định vị và ngăn chặn rò rỉ natri. Nhưng dự án của Pháp hóa ra lại ít chuẩn bị hơn cho những rắc rối như vậy; kết quả là lò phản ứng Phenix cuối cùng đã phải đóng cửa vào năm 2009.”
Nikolai Oshkanov, giám đốc NPP Beloyarsk cho biết thêm: “Các vấn đề thực sự giống nhau, nhưng chúng đã được giải quyết ở đây và ở Pháp theo những cách khác nhau. Ví dụ, khi người đứng đầu một trong các bộ phận trên Phenix cúi xuống để lấy và dỡ nó ra, các chuyên gia Pháp đã phát triển một hệ thống phức tạp và khá đắt tiền để 'nhìn' qua một lớp natri. Và khi vấn đề tương tự nảy sinh với chúng tôi, một trong những kỹ sư của chúng tôi đã đề xuất sử dụng một máy quay video được đặt trong một cấu trúc đơn giản như chuông lặn - một đường ống mở ở phía dưới với khí argon được thổi vào từ phía trên. Sau khi natri tan chảy được đẩy ra ngoài, người vận hành có thể kích hoạt cơ chế thông qua liên kết video và cụm uốn cong đã được gỡ bỏ thành công.”
Tương lai nhanh chóng
Nikolai Oshkanov cho biết: “Trên thế giới sẽ không có sự quan tâm như vậy đối với công nghệ lò phản ứng nhanh nếu nó không vận hành thành công lâu dài BN-600 của chúng tôi. với việc sản xuất hàng loạt và vận hành các lò phản ứng nhanh. Chỉ có họ mới có thể đưa toàn bộ uranium tự nhiên vào chu trình nhiên liệu và do đó tăng hiệu quả cũng như giảm lượng chất thải phóng xạ lên hàng chục lần. Trong trường hợp này, tương lai của năng lượng hạt nhân sẽ thực sự tươi sáng”.
Lò phản ứng neutron nhanh BN-800 (mặt đứng)
Bên trong anh ấy có gì
Vùng hoạt động của lò phản ứng neutron nhanh được sắp xếp giống như củ hành, thành từng lớp
370 tổ hợp nhiên liệu tạo thành ba vùng với mức độ làm giàu uranium-235 khác nhau - 17, 21 và 26% (ban đầu chỉ có hai vùng, nhưng để cân bằng sự giải phóng năng lượng, ba vùng đã được tạo ra). Chúng được bao quanh bởi các màn chắn bên (tấm chăn), hoặc khu vực sinh sản, nơi đặt các tổ hợp chứa uranium nghèo hoặc uranium tự nhiên, bao gồm chủ yếu là đồng vị 238, Ở đầu các thanh nhiên liệu phía trên và bên dưới lõi cũng có các viên uranium nghèo. uranium, tạo thành màn hình cuối (tái tạo vùng).
Cụm nhiên liệu (FA) là một tập hợp các thành phần nhiên liệu (thanh nhiên liệu) được lắp ráp trong một vỏ - các ống thép đặc biệt chứa đầy các viên oxit uranium với nhiều mức độ làm giàu khác nhau. Để đảm bảo rằng các phần tử nhiên liệu không tiếp xúc với nhau và chất làm mát có thể lưu thông giữa chúng, người ta quấn một sợi dây mỏng vào các ống. Natri đi vào cụm nhiên liệu qua các lỗ tiết lưu phía dưới và thoát ra qua các cửa sổ ở phần trên.
Ở phía dưới của cụm nhiên liệu có một thân được lắp vào ổ cắm cổ góp, phía trên có một bộ phận đầu để cụm được giữ lại khi quá tải. Các cụm nhiên liệu làm giàu khác nhau có vị trí lắp đặt khác nhau, vì vậy không thể lắp đặt cụm nhiên liệu sai vị trí.
Để điều khiển lò phản ứng, 19 thanh bù có chứa boron (chất hấp thụ neutron) để bù cho sự đốt cháy nhiên liệu, 2 thanh điều khiển tự động (để duy trì công suất nhất định) và 6 thanh bảo vệ chủ động được sử dụng. Do nền neutron của uranium thấp nên để khởi động lò phản ứng có kiểm soát (và điều khiển ở mức năng lượng thấp), người ta sử dụng “sự chiếu sáng” - nguồn photoneutron (bộ phát gamma cộng với berili).
Lò phản ứng BN-600 hoạt động như thế nào
Lò phản ứng có một bố cục tích hợp, nghĩa là thùng lò phản ứng chứa vùng hoạt động (1), cũng như ba vòng (2) của mạch làm mát đầu tiên, mỗi vòng có bơm tuần hoàn chính (3) và hai vòng trung gian. bộ trao đổi nhiệt (4). Chất làm mát là natri lỏng, được bơm qua lõi từ dưới lên và làm nóng từ 370 đến 550°C
Đi qua các bộ trao đổi nhiệt trung gian, nó truyền nhiệt sang natri ở mạch thứ hai (5), mạch này đã đi vào bộ tạo hơi nước (6), nơi nó làm bay hơi nước và làm nóng hơi nước đến nhiệt độ 520 ° C (ở áp suất 130 ATM). Hơi nước được cung cấp lần lượt cho các tuabin vào các xi lanh áp suất cao (7), trung bình (8) và thấp (9). Hơi thải được ngưng tụ bằng cách làm mát bằng nước (10) từ bể làm mát và lại đi vào máy tạo hơi nước. Ba máy phát điện tua-bin (11) của Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk sản xuất 600 MW điện năng. Khoang khí của lò phản ứng chứa đầy argon dưới áp suất dư rất thấp (khoảng 0,3 atm).
Quá tải một cách mù quáng
Không giống như các lò phản ứng nhiệt, trong lò phản ứng BN-600, các cụm lắp ráp nằm dưới một lớp natri lỏng, do đó, việc loại bỏ các cụm đã qua sử dụng và lắp đặt các cụm mới vào vị trí của chúng (quá trình này được gọi là nạp lại) xảy ra ở chế độ hoàn toàn khép kín. Ở phần trên của lò phản ứng có các phích cắm quay lớn và nhỏ (lệch tâm so với nhau, nghĩa là trục quay của chúng không trùng nhau). Một cột có hệ thống điều khiển và bảo vệ, cũng như cơ cấu quá tải với bộ kẹp kiểu ống kẹp, được gắn trên một phích cắm quay nhỏ. Cơ cấu quay được trang bị “phớt thủy lực” làm bằng hợp kim đặc biệt có độ nóng chảy thấp. Ở trạng thái bình thường, nó ở dạng rắn, nhưng khi khởi động lại, nó sẽ được nung nóng đến điểm nóng chảy, trong khi lò phản ứng vẫn được đóng kín hoàn toàn để loại bỏ hoàn toàn lượng khí phóng xạ thoát ra.
Quá trình tải lại một cụm mất tới một giờ, tải lại một phần ba lõi (khoảng 120 cụm nhiên liệu) mất khoảng một tuần (trong ba ca), quy trình này được thực hiện mỗi chiến dịch vi mô (160 ngày hiệu quả, được tính đầy đủ quyền lực). Đúng vậy, hiện nay mức tiêu hao nhiên liệu đã tăng lên và chỉ 1/4 lõi bị quá tải (khoảng 90 cụm nhiên liệu). Trong trường hợp này, người vận hành không có phản hồi trực quan bằng hình ảnh và chỉ được hướng dẫn bởi các chỉ báo của cảm biến góc quay của cột và bộ kẹp (độ chính xác định vị nhỏ hơn 0,01 độ), lực chiết và lắp đặt. Vì lý do an toàn, một số hạn chế nhất định được áp dụng đối với hoạt động của cơ cấu: ví dụ, hai ô liền kề không thể được giải phóng đồng thời, ngoài ra, khi quá tải, tất cả các thanh điều khiển và bảo vệ phải nằm trong vùng hoạt động;
Năm 1983, trên cơ sở BN-600, doanh nghiệp đã phát triển dự án lò phản ứng BN-800 cải tiến cho tổ máy điện có công suất 880 MW(e). Năm 1984, công việc xây dựng hai lò phản ứng BN-800 tại Beloyarsk và các nhà máy điện hạt nhân mới ở Nam Ural được bắt đầu. Sự chậm trễ sau đó trong việc xây dựng các lò phản ứng này được sử dụng để cải tiến thiết kế nhằm cải thiện hơn nữa tính an toàn và cải thiện các chỉ số kinh tế và kỹ thuật. Công việc xây dựng BN-800 được tiếp tục vào năm 2006 tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk (tổ máy điện thứ 4) và sẽ hoàn thành vào năm 2014.
Lò phản ứng BN-800 đang được xây dựng có nhiệm vụ quan trọng sau:
- Đảm bảo hoạt động bằng nhiên liệu MOX.
- Trình diễn thực nghiệm các thành phần chính của chu trình nhiên liệu khép kín.
- Thử nghiệm trong điều kiện vận hành thực tế của các loại thiết bị mới và các giải pháp kỹ thuật cải tiến được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và an toàn.
- Phát triển các công nghệ tiên tiến cho các lò phản ứng neutron nhanh trong tương lai với chất làm mát kim loại lỏng:
- thử nghiệm và chứng nhận nhiên liệu và vật liệu kết cấu tiên tiến;
- trình diễn công nghệ đốt các loại Actinide nhỏ và chuyển hóa các sản phẩm phân hạch tồn tại lâu dài, tạo thành phần nguy hiểm nhất của chất thải phóng xạ từ năng lượng hạt nhân.
Việc phát triển dự án lò phản ứng thương mại cải tiến BN-1200 với công suất 1220 MW đang được tiến hành.
Lò phản ứng BN-1200 (mặt đứng)
Chương trình sau đây để thực hiện dự án này được lên kế hoạch:
- 2010...2016 – phát triển thiết kế kỹ thuật của nhà máy lò phản ứng và thực hiện chương trình R&D.
- 2020 – vận hành tổ máy điện chính sử dụng nhiên liệu MOX và tổ chức sản xuất tập trung.
- 2023…2030 – đưa vào vận hành hàng loạt tổ máy điện với tổng công suất khoảng 11 GW.
Năng lượng hạt nhân luôn nhận được sự quan tâm ngày càng tăng nhờ những hứa hẹn của nó. Trên thế giới, khoảng 20% điện năng được sản xuất bằng cách sử dụng các lò phản ứng hạt nhân, và ở các nước phát triển, con số này đối với sản phẩm năng lượng hạt nhân thậm chí còn cao hơn - hơn một phần ba tổng lượng điện. Tuy nhiên, loại lò phản ứng chính vẫn là loại lò nhiệt, chẳng hạn như LWR và VVER. Các nhà khoa học tin rằng một trong những vấn đề chính của các lò phản ứng này trong tương lai gần sẽ là tình trạng thiếu nhiên liệu tự nhiên, uranium và đồng vị 238 của nó, cần thiết để thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền. Dựa trên khả năng cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu tự nhiên này dành cho các lò phản ứng nhiệt, các hạn chế được đặt ra đối với việc phát triển năng lượng hạt nhân. Việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân sử dụng neutron nhanh, trong đó có thể tái tạo nhiên liệu, được coi là có triển vọng hơn.
Lịch sử phát triển
Dựa trên chương trình của Bộ Công nghiệp Nguyên tử Liên bang Nga vào đầu thế kỷ này, các nhiệm vụ được đặt ra là tạo ra và đảm bảo vận hành an toàn các tổ hợp năng lượng hạt nhân, các nhà máy điện hạt nhân hiện đại hóa kiểu mới. Một trong những cơ sở này là nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, nằm cách Sverdlovsk (Ekaterinburg) 50 km. Quyết định thành lập nó được đưa ra vào năm 1957 và tổ máy đầu tiên được đưa vào hoạt động vào năm 1964.
Hai trong số các khối của nó vận hành các lò phản ứng hạt nhân nhiệt, đến những năm 80-90 của thế kỷ trước đã cạn kiệt tài nguyên. Tại khối thứ ba, lò phản ứng neutron nhanh BN-600 lần đầu tiên được thử nghiệm trên thế giới. Trong quá trình làm việc của mình, các kết quả mà các nhà phát triển đã lên kế hoạch đã thu được. Sự an toàn của quá trình này cũng rất tuyệt vời. Trong thời gian thực hiện dự án kết thúc vào năm 2010, không có vi phạm hoặc sai lệch nghiêm trọng nào xảy ra. Thời hạn cuối cùng của nó sẽ hết hạn vào năm 2025. Có thể nói rằng các lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh, bao gồm BN-600 và phiên bản kế nhiệm của nó, BN-800, sẽ có một tương lai tươi sáng.
Ra mắt BN-800 mới
các nhà khoa học OBM Afrikantov từ Gorky (Nizhny Novgorod ngày nay) đã chuẩn bị một dự án cho tổ máy điện thứ tư của NPP Beloyarsk vào năm 1983. Do vụ tai nạn xảy ra ở Chernobyl năm 1987 và việc đưa ra các tiêu chuẩn an toàn mới vào năm 1993, công việc đã bị dừng lại và việc phóng vệ tinh bị hoãn vô thời hạn. Chỉ đến năm 1997, sau khi nhận được giấy phép xây dựng tổ máy số 4 với lò phản ứng BN-800 công suất 880 MW từ Gosatomnadzor, quá trình này mới được tiếp tục.
Vào ngày 25 tháng 12 năm 2013, quá trình làm nóng lò phản ứng bắt đầu để đưa chất làm mát vào tiếp theo. Vào tháng 6 ngày 14, theo đúng kế hoạch, một khối lượng đủ lớn để thực hiện một phản ứng dây chuyền tối thiểu đã xảy ra. Sau đó mọi việc bị đình trệ. Nhiên liệu MOX, bao gồm các oxit phân hạch của uranium và plutonium, tương tự như loại được sử dụng ở Đơn vị 3, vẫn chưa sẵn sàng. Đây là những gì các nhà phát triển muốn sử dụng trong lò phản ứng mới. Tôi đã phải kết hợp và tìm kiếm những lựa chọn mới. Do đó, để không trì hoãn việc ra mắt tổ máy điện, họ đã quyết định sử dụng nhiên liệu uranium trong một phần của quá trình lắp ráp. Lễ ra mắt lò phản ứng hạt nhân BN-800 và tổ máy số 4 diễn ra vào ngày 10/12/2015.
Mô tả quy trình
Trong quá trình vận hành trong lò phản ứng có neutron nhanh, các nguyên tố thứ cấp được hình thành do phản ứng phân hạch, khi được khối uranium hấp thụ sẽ tạo thành vật liệu hạt nhân mới được tạo ra plutonium-239, có khả năng tiếp tục quá trình phân hạch tiếp theo. Ưu điểm chính của phản ứng này là tạo ra neutron từ plutonium, chất được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân tại các nhà máy điện hạt nhân. Sự hiện diện của nó giúp giảm việc sản xuất uranium, nguồn dự trữ có hạn. Từ một kg uranium-235, bạn có thể thu được nhiều hơn một kg plutonium-239, từ đó đảm bảo tái tạo nhiên liệu.
Kết quả là, việc sản xuất năng lượng trong các tổ máy điện hạt nhân với mức tiêu thụ uranium khan hiếm tối thiểu và không bị hạn chế sản xuất sẽ tăng lên hàng trăm lần. Người ta ước tính rằng trong trường hợp này, trữ lượng uranium sẽ đủ dùng cho nhân loại trong vài chục thế kỷ. Lựa chọn tối ưu trong năng lượng hạt nhân để duy trì sự cân bằng về mức tiêu thụ uranium tối thiểu sẽ là tỷ lệ 4 trên 1, trong đó cứ bốn lò phản ứng nhiệt thì có một lò hoạt động bằng neutron nhanh sẽ được sử dụng.
Mục tiêu BN-800
Trong thời gian hoạt động ở tổ máy số 4 của Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, một số nhiệm vụ nhất định đã được giao cho lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng BN-800 phải hoạt động bằng nhiên liệu MOX. Một trục trặc nhỏ xảy ra khi bắt đầu công việc không làm thay đổi kế hoạch của những người sáng tạo. Theo giám đốc NPP Beloyarsk, ông Sidorov, việc chuyển đổi hoàn toàn sang nhiên liệu MOX sẽ được thực hiện vào năm 2019. Nếu điều này thành hiện thực, lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh tại địa phương sẽ trở thành lò phản ứng đầu tiên trên thế giới hoạt động hoàn toàn bằng nhiên liệu như vậy. Nó sẽ trở thành nguyên mẫu cho các lò phản ứng nhanh tương tự trong tương lai với chất làm mát bằng kim loại lỏng, hiệu quả hơn và an toàn hơn. Dựa trên cơ sở này, BN-800 đang thử nghiệm thiết bị cải tiến trong các điều kiện vận hành, kiểm tra việc áp dụng đúng các công nghệ mới có ảnh hưởng đến độ tin cậy và hiệu quả của bộ nguồn.
lớp="eliadunit">
Kiểm tra hoạt động của hệ thống chu trình nhiên liệu mới.
Thử nghiệm đốt chất thải phóng xạ có tuổi thọ cao.
Loại bỏ plutonium cấp độ vũ khí tích lũy với số lượng lớn.
BN-800, giống như người tiền nhiệm của nó, BN-600, sẽ trở thành điểm khởi đầu để các nhà phát triển Nga tích lũy kinh nghiệm vô giá trong việc chế tạo và vận hành các lò phản ứng nhanh.
Ưu điểm của lò phản ứng neutron nhanh
Việc sử dụng BN-800 và các lò phản ứng hạt nhân tương tự trong điện hạt nhân cho phép
Tăng đáng kể tuổi thọ của nguồn dự trữ tài nguyên uranium, giúp tăng đáng kể lượng năng lượng nhận được.
Khả năng giảm tuổi thọ của các sản phẩm phân hạch phóng xạ xuống mức tối thiểu (từ vài nghìn năm xuống còn ba trăm).
Tăng cường an toàn cho nhà máy điện hạt nhân Việc sử dụng lò phản ứng neutron nhanh cho phép giảm thiểu khả năng nóng chảy lõi ở mức tối thiểu, có thể tăng đáng kể mức độ tự bảo vệ của cơ sở và loại bỏ việc giải phóng plutonium trong quá trình xử lý. Lò phản ứng loại này với chất làm mát bằng natri có mức độ an toàn cao hơn.
Ngày 17/8/2016, tổ máy số 4 của Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk đã đạt công suất phát điện 100%. Kể từ tháng 12 năm ngoái, hệ thống Ural tích hợp đã nhận được năng lượng được tạo ra tại lò phản ứng nhanh.
lớp="eliadunit">