Công nghệ lò phản ứng hạt nhân, chu trình phản ứng

Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị khởi đầu và điều khiển một phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì. Việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân phổ biến nhất là để sản xuất điện và cung cấp năng lượng cho các con tàu sử dụng năng lượng nguyên tử.

Cũng giống như nhiều nhà máy nhiệt điện thông thường sản xuất điện bằng nhiệt năng giải phóng từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các nhà máy năng lượng hạt nhân biến đổi năng lượng giải phóng từ hạt nhân nguyên tử thông qua phản ứng phân hạch.

Khi một hạt nhân nguyên tử dùng để phân hạch tương đối lớn (thường là uranium 235 hoặc plutonium-239) hấp thụ nơtron sẽ dẫn đến sự phân hạch nguyên tử. Quá trình 10 phân hạch tách nguyên tử thành 2 hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn kèm theo động năng (hay còn gọi là sản phẩm phân hạch) và cũng giải phóng tia phóng xạ gamma và nơtron tự do.

Một phần các nơtron tự do này sau đó được hấp thụ bởi các nguyên tử phân hạch khác và tiếp tục dẫn đến nhiều sự phân hạch hơn và giải phóng nhiều nơtron hơn. Đây là phản ứng tạo ra nơtron theo cấp số nhân.

Phản ứng dây chuyền hạt nhân này có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng chất hấp thụ nơtron và chất làm chậm nơtron (neutron moderator) để thay đổi tỷ lệ nơtron tham gia vào các phản ứng phân hạch tiếp theo. Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân đều có các hệ thống vận hành bằng tay và tự động để tắt phản ứng phân hạch khi phát hiện các điều kiện không an toàn.

Một hệ thống làm lạnh chuyển lượng nhiệt phát sinh từ lõi lò phản ứng và vận chuyển đến bộ phận khác thuộc nhà máy, nơi có thể sử dụng nguồn nhiệt năng này để sản sinh điện hoặc sử dụng cho những mục đích hữu dụng khác. Đặc biệt là chất làm lạnh bị làm nóng lên (hot coolant) sẽ được sử dụng như một nguồn nhiệt cho nồi hơi, và hơi nén từ nồi hơi đó sẽ làm quay một hay nhiều tuabin vận hành các máy phát điện.

Có nhiều kiểu công nghệ lò phản ứng khác nhau sử dụng các nguyên liệu, chất làm lạnh và áp dụng các cơ chế vận hành khác nhau. Một số mẫu được thiết kế để đáp ứng yêu cầu đặc biệt. Ví dụ như lò phản ứng dùng trong các tàu ngầm hạt nhân và các tàu hải quân lớn, thường sử dụng nhiên liệu uranium được làm giàu rất cao.

Việc lựa chọn loại nhiên liệu này sẽ làm tăng mật độ công suất của lò phản ứng và chu trình nạp nhiên liệu hạt nhân khả dụng, nhưng giá thành đắt hơn và có nguy cơ dẫn đến phổ biến vũ khí hạt nhân cao hơn so với một số loại nhiên liệu hạt nhân khác.

Các mẫu thiết kế mới lò phản ứng dùng cho các nhà máy máy điện hạt nhân, được gọi chung là các lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV, hiện đang là đối tượng nghiên cứu và có thể được sử dụng cho các nhà máy phát điện trong tương lai.

Một vài trong số các mẫu mới này được thiết kế đặc biệt để đạt được các lò phản ứng phân hạch sạch hơn, an toàn hơn và/hoặc ít có nguy cơ dẫn đến phổ biến vũ khí hạt nhân. Các nhà máy điện an toàn thụ động (như loại lò phản ứng ESBWR) đã sẵn sàng để xây dựng và các mẫu thiết kế khác được cho là có độ tin cậy rất cao (fool-proof) đang được tiến hành.

Các công nghệ lò phản ứng hợp hạch có thể trở thành hiện thực trong tương lai sẽ giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn những rủi ro liên quan đến phân hạch hạnh nhân.

Xem thêm: Lò phản ứng hạt nhân – Nguyên lý hoạt động, điều khiển lò

Lò phản ứng hạt nhân là một phần trong chu trình năng lượng hạt nhân. Quá trình bắt đầu từ khai thác mỏ. Các mỏ uranium nằm dưới lòng đất, được khai thác theo phương thức lộ thiên, hoặc đãi tại chỗ. Trong bất kỳ trường hợp nào, khi quặng uranium được chiết tách, nó thường được chuyển thành dạng ổn định và nén chặt thành bánh, và sau đó vận chuyển đến nhà máy.

Ở đây, nguyên liệu này được chuyển đổi thành urani hexaflorua, loại này sau đó được làm giàu sử dụng các phương pháp khác nhau. Tại thời điểm này, uranium được làm giàu chứa hơn 0,7% U-235 tự nhiên, được sử dụng để tạo thành các thanh nhiên liệu có thành phần và hình dạng phù hợp đối với từng loại lò phản ứng cụ thể.

Các thanh nhiên liệu sẽ trải qua khoảng 3 chu kỳ vận hành (tổng cộng khoảng 6 năm) bên trong lò phản ứng, thường là cho đến khi có khoảng 3% lượng uranium đã phân hạch, sau đó chúng sẽ được chuyển tới bể chứa nhiên liệu đã sử dụng, ở đây các chất đồng vị có tuổi thọ ngắn được tạo ra từ phản ứng phân hạch sẽ phân rã.

Sau khoảng 5 năm lưu giữ trong bể chứa nhiên liệu đã sử dụng, lúc này nhiên liệu đã sử dụng sẽ đủ nguội và giảm tính phóng xạ đến mức có thể vận chuyển được, và chúng được chuyển đến các két chứa khô hoặc đem tái xử lý.

Xem thêm: Lò phản ứng hạt nhân – Cấu trúc, phân loại, đánh giá