Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng...) truyền tới thiết bị sinh điện năng như tuabin để sản xuất điện năng.
Phân loại nhà máy điện
- Phân loại theo mục đích sử dụng (lò hạt nhân thí nghiệm, lò phản ứng hạt nhân thương mại)
- Phân loại theo chất tải nhiệt (lò khí, lò nước, lò kim loại......)
- Phân loại theo năng lượng của neutron (lò phản ứng neutron nhiệt, lò phản ứng neutron nhanh)
- Phân loại theo công suất
- Phân loại theo thế hệ lò
Nguyên tắc hoạt động
Trên hình đưa ra cho chúng ta biết nguyên tắc làm việc của nhà máy điện hạt nhân với 2 vòng tuần hoàn. Năng lượng nhiệt được sinh ra ở vùng hoạt của lò phản ứng (nơi xảy ra quá trình phân hạch Uranium-235). Nhiệt được cung cấp cho chất tải nhiệt (chất mang nhiệt), được bơm tuần hoàn trong vòng tuần hoàn một. Tiếp đến chất tản nhiệt (khi đó đã mang nhiệt lượng) sẽ đi tới bộ phận trao đổi nhiệt (trong lò hơi). Ở đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt từ chất tải nhiệt sẽ được truyền cho nước ở vòng tuần hoàn hai thông qua bộ phận trao đổi nhiệt. Nước ở lò hơi được đun nóng và sôi, hơi nước được tạo thành trong quá trình sôi sẽ được dẫn tới Turbin, hơi nước làm cho Turbin quay, dẫn đến Rotor quay và sinh ra dòng điện.
Hơi nước sau khi đi qua Turbin sẽ tiếp tục đi vào bộ phận ngưng tụ, tại đây hơi nước được làm mát, và bị ngưng tụ tạo thành nước. Nước ngưng tụ được máy bơm bơm ngược lại lò hơi, và tiếp tục một chu kỳ mới.
Chất tản nhiệt ở vòng tuần hoàn 1 sau khi vào bộ phận trao đổi nhiệt, mất đi một phần nhiệt lượng, lại được máy bơm bơm ngược lại lò phản ứng và tiếp tục 1 chu kỳ mới.
Bộ phận bù áp suất là một bộ phận rất quan trọng và rất phức tạp, có nhiệm vụ đảm bảo áp suất ổn định cho lò phản ứng. Khi sự chênh lệch nhiệt độ của chất tản nhiệt sẽ dẫn đến sự thay đổi áp suất của lò phản ứng. Và bộ phận này phải có nhiệm vụ thay đổi một cách nhịp nhàng và nhanh chóng. Khi mà sự thay đổi nhiệt độ xảy ra rất nhanh khoảng từ \(10^{−15} s\) đến \(10^{−13} s\) (thời gian xảy ra của một phản ứng phân hạch). Đối với chất tản nhiệt là nước, thì bộ phận bù áp có một nhiệm vụ rất quan trọng, nhằm duy trì ổn định một áp suất cao (Lò PWR là 160 atm), giúp nước ở vòng tuần hoàn một không sôi.
Ngoài nước được sử dụng làm chất tản nhiệt, thì các chất tản nhiệt khác như CO2 được dùng tại Anh, nước nặng, kim loại lỏng như Natri, Chì, Thủy ngân... cũng được sử dụng. Natri được sử dụng trong lò phản ứng Neutron nhanh tại Nga với ba vòng tuần hoàn. Vòng một và vòng hai là Natri và vòng ba là nước nhẹ (nước từ bộ phận sinh hơi - turbin- bộ phận ngưng tụ). Sử dụng các kim loại lỏng sẽ tạo điều kiện cho việc đơn giản hóa lò phản ứng, khi đó bộ phận bù áp vốn rất phức tạp sẽ không còn cần thiết nữa.
Số vòng tuần hoàn của lò phản ứng được thay đổi tùy theo các loại lò khác nhau (Trên hình là loại lò PWR Nước- Nước). Ngoài ra tại Nga còn phát triển loại lò RBMK. Đây là loại lò một vòng tuần hoàn, nước được sôi ngay trên thanh nhiên liệu, tạo ra hơi nước sau đó tới Turbin. Trong trường hợp không thể cung cấp một lượng nước lớn để làm lạnh hơi nước trong quá trình ngưng tụ, thì ở nhà máy điện được xây dựng hồ chứa nước và tháp ngưng tụ. Tháp có nhiệm vụ làm tăng quá trình đối lưu và quá trình ngưng tụ trong bộ phận ngưng tụ của lò. Tháp ngưng tụ đã trở thành một phần nổi bật của mỗi nhà máy điện hạt nhân.
Hiện tại, tương lai và triển vọng
Nhà máy điện hạt nhân được xây dựng tại 31 quốc gia trên toàn thế giới. Trên thế giới năm 2014 đang có 388 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động với tổng công suất là 333 GW, Công ty TVEL của Nga cung cấp nhiên liệu cho 73 lò phản ứng trên tổng số 388 lò phản ứng (\(17\%\) thị trường thế giới). Tuy vậy hiện có 45 lò phản ứng hạt nhân đã không sản xuất điện trong vòng hơn một năm rưỡi, đa phần trong số đó là của Nhật Bản.
Căn cứ vào báo cáo về tình trạng phát triển công nghiệp năng lượng hạt nhân vào năm 2014 thì sự phát triển đó đang có xu hướng giảm dần. Đỉnh điểm của sự phát triển được ghi nhận vào năm 2006 với mức năng lượng điện là 2,66 TW. Năng lượng hạt nhân năm 1996 chiếm 17,6% năng lượng điện toàn cầu và đã giảm xuống còn 10,8% năm 2013.
Hai phần ba các lò phản ứng hạt nhân được xây dựng tại Trung Quốc, Ấn Độ và Nga. Trong tương lai sẽ có rất nhiều nhà máy điện hạt nhân mới được xây dựng, nhưng đó vẫn là những vấn đề còn nóng hổi gây ra nhiều tranh cãi. Khi mà gần đây vào năm 2011 vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima-1 tại Nhật Bản xảy ra. Nó làm dấy lên phong trào "có nên tiếp tục sử dụng điện hạt nhân hay không?". Nhưng trên quy mô toàn cầu thì trong vòng 20 năm tiếp theo sẽ có thêm 8 lò phản ứng mới được xây dựng thêm.
Theo nghiên cứu về thời gian làm việc của các lò phản ứng thì tuổi thọ trung bình của mỗi lò phản ứng hạt nhân là 28,5 năm. Lò phản ứng hạt nhân có tuổi thọ lớn nhất là tại Thụy Sĩ với hơn 45 năm làm việc. Hiện tại đã có 153 lò phản ứng ngừng làm việc, thời gian làm việc trung bình của các lò đó là 23 năm.
Viện sĩ Anatoly Alexandrov cho rằng "nguồn năng lượng hạt nhân khổng lồ ấy sẽ đem lại những lợi ích vô cùng to lớn cho nhân loại và giải quyết được một loạt các vấn đề cấp bách cho chúng ta".
Nga là nước đầu tiên trên thế giới xây dựng nhà máy điện hạt nhân nổi, cho phép giải quyết các vấn đề thiếu hụt năng lượng cho những vùng duyên hải xa xôi của đất nước này.
Còn tại Mỹ, Nhật Bản thì các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu và phát triển những nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ với công suất chỉ từ 10-20 MW nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau như cung cấp nhiệt, cung cấp điện cho các khu chung cư riêng lẻ, cho các khu sản xuất riêng biệt, và trong tương lai là cho các hộ gia đình. Với việc giảm công suất nhà máy điện xuống như thế, thì số lượng lò phải sản xuất là rất lớn. Đó cũng là một thách thức đang được đặt ra cho các nhà khoa học của Mỹ và Nhật Bản.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét