Nhà máy điện hạt nhân

Điện hạt nhân sử dụng năng lượng sinh ra từ phản ứng phân hạch các hạt nhân U-ran-235 (ký hiệu là 235U) và Plu-tô-ni-um-239 (239Pu) trong lò phản ứng hạt nhân để sinh tạo áp lực hơi nước chạy các tuốc-bin phát điện.

Khái niệm

Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là nơi tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân, tức là chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng.

Sự ra đời của điện hạt nhân

Vào những năm 1950 - 1960, một số nước đã bắt tay vào sản xuất điện hạt nhân, song đây mới chỉ là giai đoạn khởi đầu, khi công nghệ này chưa được thương mại hóa. Ngày 20 - 12 - 1951, loài người lần đầu tiên được sử dụng điện sản xuất bằng năng lượng hạt nhân tại lò thử nghiệm EBR-1 của Mỹ và thắp sáng được bốn bóng đèn. Tổ máy điện hạt nhân đầu tiên của Nga có tên là Gra-phít nước nhẹ 5MW (e) tại Ốp-nhin-xcơ, bắt đầu hoạt động năm 1954 và ngừng hoạt động ngày 30-4-2002. Nhà máy điện hạt nhân quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới có tên là Can-đơ Hôn của Anh bắt đầu vận hành năm 1956 và đóng cửa vào tháng 3 - 2003.

Bước sang thập kỷ 70, 80 thế kỷ XX, nhiều nước đẩy nhanh tốc độ phát triển điện hạt nhân khi công nghệ này đã được thương mại hóa cao và do khủng hoảng dầu mỏ. Tỷ trọng điện hạt nhân toàn cầu tăng gần hai lần, từ 9% lên 17%. Bước vào thập niên 80 và 90 thế kỷ XX, sau sự cố Chéc-nô-bưn và sự phản đối của dân chúng, kết hợp với các yếu tố chính trị và sự cạnh tranh yếu về kih tế do việc tăng cao các yêu cầu về an toàn đã làm cho tốc độ xây dựng điện hạt nhân giảm mạnh, một số nước như Đức và Thụy Điển đã có chủ trương loại bỏ điện hạt nhân.

Từ đầu thế kỷ XXI tới nay, khi vấn đề an ninh năng lượng có ý nghĩa quyết định và công nghệ điện hạt nhân ngày càng được nâng cao thì xu hướng phát triển điện hạt nhân đã có những thay đổi tích cực, Mỹ dự tính đến năm 2020 sẽ tăng 10.000 MW cho 104 nhà máy điện hạt nhân hiện có. Anh cũng có ý định quay trở lại phát triển điện hạt nhân do thiếu hụt năng lượng.

Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân

- Trung tâm lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch;

- Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi.

- Tuốc-bin dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.

- Bộ phận ngưng tụ, làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.

Bốn hướng nghiên cứu phát triển công nghệ điện hạt nhân

- Hoàn thiện công nghệ các nhà máy điện hạt nhân hiện hành. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được thiết kế nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn và từng bước áp dụng nguyên lý an toàn thụ động.

- Nghiên cứu phát triển các lò có công suất nhỏ và trung bình.

- Phát triển các thiết kế mới kiểu ghép nối các mô-đun độc lập theo hướng sử dụng chất tải nhiệt là khí nhiệt độ cao và dùng hơi quá nhiệt để quay tuốc-bin, áp dụng triệt để nguyên lý an toàn thụ động.

- Phát triển những loại lò thế hệ mới có nhiều ưu điểm vượt trội để đáp ứng các mục tiêu;: an toàn hơn, kinh tế hơn, ít chất thải phóng xạ hơn và giảm nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân.

Nhiên liệu nào cho nhà máy điện hạt nhân?

Nhiên liệu chính cho nhà máy điện hạt nhân hiện nay là U-ra-ni. Trên thế giới có khoảng gần 100 nước đã đầu tư cho công tác tìm kiếm thăm dò U-ra-ni, trong đó 12 nước có tài nguyên U-ra-ni có giá trị kinh tế cao (giá thành sản xuất dưới 40 USD/kg), 36 nước đã hoặc đang thực hiện một phần hoặc toàn bộ các khâu trước lò của chu trình nhiên liệu. Có 10 nước đạt sản lượng U-ra-ni lớn hơn 1.000 tấn/năm, trong đó Ca-na-đa và Ô-xtrây-li-a sản xuất tới 50% sản lượng U-ra-ni của thế giới.

Ưu điểm của nhà máy điện hạt nhân

Khi sản xuất và xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao nhà máy điện hạt nhân có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên.

Cơ chế hoạt động của nhà máy điện hạt nhân

U-ra-ni là nguyên tố phóng xạ tự nhiên có nhiều trong quặng. Chúng được khai thác, tuyển chọn, tinh chế và làm giàu để tạo thành U-ra-ni 235 là chất có khả năng phân hạch cho năng lượng tốt nhất và tiếp tục được chuyển hóa tiếp thành Ô-xít U-ra-ni dưới dạng chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung thành những viên dài 1 cm, nặng khoảng 7 gam. Các viên này được xếp lần lượt vào ống kim loại dài khoảng 4m bịt kín 2 đầu để tạo thành các thanh nhiên liệu. Mỗi nhà máy điện hạt nhân cần hơn 40.000 thanh nhiên liệu. Cứ 264 thanh được kết lại thành những bó hình vuông gọi là bó thanh nhiên liệu. Một lò phản ứng hạt nhân 900 MW cần khoảng 157 bó thanh nhiên liệu (chứa khoảng 11 triệu viên). Các bó này được sắp xếp thành tâm lò phản ứng. Các thanh phải nằm trong lò khoảng 3-4 năm để thực hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi lượng nước rất lớn. Nguồn nước bốc hơi từ đây sẽ tạo ra nguồn năng lượng làm quay hệ thống tuốc-bin để phát điện.

Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế (International Atomic Energy Agency, viết tắt là IAEA)

Đây là tổ chức quốc tế thành lập ngày 29-7-1957 với mục đích đẩy mạnh việc sử dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình và ngăn chặn việc sử dụng năng lượng nguyên tử trong mục đích quân sự. Trong bài diễn văn "Nguyên tử cho Hòa bình" đọc trước Đại Hội đồng Liên hợp quốc năm 1953, Tổng thống Mỹ Đ.Ai-xen-hao đã đưa ra ý tưởng thiết lập tổ chức quốc tế này với mục tiêu kiểm soát và phát triển việc sử dụng năng lượng nguyên tử đúng hướng. Hiện nay, Giám đốc điều hành cơ quan này là ông Mô-ha-mét En-ba-ra-đây được trao giải Nô-ben Hòa bình năm 2005.

* Thế hệ các hệ thống điện hạt nhân.

Hiện nay trên thế giới có ba thế hệ các hệ thống điện hạt nhân đang vận hành, các thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được phát triển để sử dụng trên tàu biển từ cuối những năm 1940. Thế hệ I bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport (1957 - 1982), Dresden-1 (1960 - 1978), và Calder Hall-1 (1956 - 2003) ở Anh. Các hệ thống thế hệ II bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên 400 lò phản ứng vận hành kiểu thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước sôi (BWR). Các lò phản ứng này thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR), sử dụng các phương pháp an toàn "chủ động" truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh.

Các hệ thống thế hệ III và III+ bắt đầu phát triển trong những năm 1990, dựa trên kinh nghiệm của các đội ngũ các lò LWR của Mỹ, Nhật Bản và Tây Âu. Những cải tiến đáng kể nhất so với các thiết kế thế hệ thứ II là việc đưa vào các đặc điểm an toàn "thụ động", không đòi hỏi điều khiển chủ động hoặc sự can thiệp của người vận hành; thay vào đó, các thiết kế này dựa vào trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên để giảm nhẹ tác động của các sự kiện bất thường. Đặc điểm này, bên cạnh các yếu tố khác, sẽ giúp đẩy nhanh quá trình xét duyệt lò phản ứng, và nhờ vậy, rút ngắn lịch trình xây dựng. Một khi được đưa vào vận hành, chắc chắn các nhà máy sử dụng các lò phản ứng thế hệ III và III+ sẽ đạt được mức đốt nhiên liệu cao hơn (giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm chất thải tạo ra) và sẽ vận hành tới 60 năm.

Ngoài ra, một số nhà khoa học Mỹ cho biết, các lò phản ứng thế hệ IV của Mỹ sẽ được đưa ra thị trường vào khoảng năm 2030.