Hầu hết điện hạt nhân thế giới hiện đang được sản xuất sử dụng hai kiểu lò phản ứng được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ trước và được cải thiện dần từ đó. Các mẫu thiết kế mới đang ngày càng trở nên tân tiến và một số thiết kế đang hoạt động hiện nay chủ yếu là các lò phản ứng thuộc thế hệ đầu tiên và đang ở cuối vòng đời hoạt động của chúng.

Các lò phản ứng hạt nhân sản sinh ra năng lượng thông qua một phản ứng chuỗi phân hạch có kiểm soát. Mặc dù hầu hết các lò đều sản xuất năng lượng điện, một số lò cũng có thể sản xuất ra plutonium sử dụng cho vũ khí và nhiên liệu lò phản ứng.

Các lò năng lượng sử dụng nhiệt từ phản ứng phân hạch để tạo ra hơi làm quay các tua-bin sản sinh ra điện. Ở khía cạnh này, chúng giống với các nhà máy điện chạy bằng than và khí tự nhiên. Các bộ phận chung cho tất cả các lò phản ứng hạt nhân bao gồm một bộ lắp ráp nhiên liệu, các thanh kiểm soát, một chất tản nhiệt, một khoang áp lực, một cấu trúc bể chứa và một cơ sở làm lạnh bên ngoài.

Tốc độ của các neutron trong phản ứng chuỗi quyết định loại hình lò. Các lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng các neutron chậm để duy trì phản ứng. Những lò phản ứng này cần một chất làm chậm (moderator) để làm chậm tốc độ các neutron được sản sinh ra nhờ quá trình phân hạch. Các lò phản ứng neutron nhanh, hay còn gọi là các lò phản ứng tái sinh nhanh (FBR), sử dụng các neutron không được làm chậm, tốc độ cao để duy trì phản ứng chuỗi.

Hai kiểu lò phản ứng cơ bản thuộc thế hệ thứ I (được thiết kế từ những năm 1950) bao gồm:

Lò phản ứng nhiệt hạch vận hành với nguyên tắc: uranium-235 trải qua quá trình phân hạch dễ dàng hơn với các neutron chậm thay vì các neutron nhanh. Nước nhẹ (H2O), nước nặng (D2O), và cacbon dưới dạng graphit là những chất làm chậm phổ biến nhất.

Do các lò phản ứng neutron tạo ra phân hạch ở uranium-235 rất hiệu quả, nên chúng sử dụng các bó nhiên liệu có chứa hoặc nhiên liệu uranium tự nhiên (U-235 0,7%) hoặc uranium được làm giàu nhẹ (U-235 từ 0,9 tới 2%).

Các thanh gồm vật liệu hấp thụ neutron ví dụ như cadmium hoặc boron được chèn vào bó nhiên liệu. Vị trí của những thanh kiểm soát trong lõi lò phản ứng sẽ xác định tỷ lệ của phản ứng chuỗi phân hạch. Chất tản nhiệt là một chất lỏng hoặc chất khí có chức năng loại bỏ nhiệt khỏi lõi và tạo ra hơi để chạy các tua-bin.

Ở các lò phản ứng sử dụng nước nhẹ hoặc nước nặng, chất tản nhiệt còn hoạt động như là chất làm chậm. Các lò phản ứng sử dụng các chất tản nhiệt khí (CO2 hoặc He) sẽ dùng graphit làm chất làm chậm. Khoang áp suất, được chế tạo bằng thép chịu lực cao, sẽ chứa lõi lò phản ứng chứa bó nhiên liệu, các thanh kiểm soát, chất làm chậm và chất làm lạnh.

Kết cấu bảo vệ (containment structure), bao gồm lớp thép và bê tông dày, sẽ ngăn cản sự phát tán của bức xạ trong trường hợp xảy ra tai nạn và đồng thời bảo vệ cho các bộ phận của lò phản ứng tránh được các tác nhân xâm phạm tiềm tàng.

Cuối cùng, các bộ phận hữu hình nhất của nhiều nhà máy điện hạt nhân là các tháp làm lạnh, các bộ phận ngoài, để cung cấp nước mát làm ngưng tụ hơi thành nước để tái cấp lại vào kết cấu bảo vệ. Các tháp làm lạnh cũng được sử dụng ở các nhà máy khí tự nhiên và than.

Xem thêm: IAEA, NEA, INRA, WANO, WNA – Điều phối quốc tế về hạt nhân

Trái với các lò phản ứng nhiệt, các neutron ở một lò phản ứng neutron nhanh (hay lò phản ứng tái sinh nhanh, FBR) không được làm chậm bằng một chất làm chậm. Chất tản nhiệt, thường là chì hoặc natri lỏng, là một chất không làm chậm hoặc hấp thụ các neutron. Nó cũng có các tính chất truyền nhiệt tuyệt vời, cho phép lò phản ứng được vận hành ở áp suất thấp và nhiệt độ cao hơn các lò phản ứng nhiệt hạch.

Một lò FBR được cấu hình và hoạt động để sản xuất ra nhiều nhiên liệu hơn là lượng nhiên liệu mà nó tiêu thụ. Các neutron nhanh dễ được hấp thụ bởi uranium-238 giàu, để sau đó có thể trải qua các phát xạ beta liên tiếp để trở thành Pu-239 phân hạch. Thorium-232 là một đồng vị giàu khác có thể hấp thụ các neutron và sản sinh ra uranium-233 phân hạch bằng các phát xạ beta.

Những đồng vị phân hạch này có thể được tái xử lý để dùng cho nhiên liệu lò phản ứng hoặc vũ khí hạt nhân. Do các neutron nhanh không tạo ra phân hạch hiệu quả như các neutron chậm, nên các lò FBR cần có uranium oxit chứa 20% U-235 plutonium oxit, hay hỗn hợp của những oxit này, còn được gọi là MOX làm nhiên liệu.

Thông thường, các lò FBR được coi là một phương tiện để làm tăng các nguồn tài nguyên uranium toàn cầu bằng cách tạo ra Pu-239 hay U-233 phân hạch với vai trò là nhiên liệu lò phản ứng. Tuy nhiên, các rắc rối về vận hành lò phản ứng và các thành phần vật liệu kết hợp với việc khám phá ra các mỏ uranium mới khiến cho các lò FBR không có tính cạnh tranh về khía cạnh kinh tế so với các loại lò phản ứng nhiệt hạch đã có.

Nghiên cứu về FBR đã mang lại những tiến bộ kỹ thuật nhưng yếu tố gây hạn chế vẫn là giá thành của nhiên liệu được tạo ra bằng lò FBR so với chi phí cho nhiên liệu ranium. Các lò FBR cũng phức tạp hơn các loại lò khác và cũng làm tăng những lo ngại về việc phổ biến plutonium đế sử dụng trong vũ khí hạt nhân.

Một số lò phản ứng (chỉ có một loại là đang phục vụ thương mại) không có chất làm chậm và sử dụng các neutron nhanh, tạo ra điện từ plutonium trong khi lại tạo ra nhiều điện hơn từ đồng vị U-238 trong hoặc quanh nhiên liệu.

Mặc dù chúng đạt hiệu suất sản sinh ra điện gấp 60 lần năng lượng từ uranium gốc so với các lò phản ứng thông thường, nhưng xây dựng chúng rất tốn kém. Việc phát triển chúng sâu hơn có thể được thực hiện trong những thập niên tới, và những thiết kế chính được kỳ vọng là sẽ được xây dựng trong hai thập niên tới là các lò FNR. Nếu chúng được cấu hình để sản xuất vật liệu phân hạch (plutonium) nhiều hơn lượng chúng tiêu thụ thì chúng được gọi là các lò Phản ứng Tái sinh Nhanh (FBR).

Xem thêm: An toàn hạt nhân, sự cố hạt nhân và phóng xạ

Công nghệ lò phản ứng hạt nhân được phân biệt theo các thế hệ. Các lò phản ứng thế hệ I được phát triển vào thập niên 50-60 của thế kỷ trước và chỉ còn ít lò hiện đang vận hành. Chúng hầu hết sử dụng nhiên liệu uranium tự nhiên và sử dụng graphit làm chất làm chậm.

Các lò phản ứng thế hệ II thường sử dụng nhiên liệu uranium được làm giàu và hầu hết được tản nhiệt và làm chậm bằng nước. Các lò thế hệ III được coi là Các lò Tiên tiến, một vài chiếc đầu tiên hiện đang vận hành tại Nhật Bản còn vài chiếc khác thì đang được xây dựng và sẵn sàng được đặt hàng. Chúng là những phiên bản phát triển của thế hệ thứ hai với mức an toàn được nâng cao hơn.

Hơn một chục bản thiết kế lò phản ứng tiên tiến (Thế hệ III) đang ở nhiều giai đoạn phát triển. Một số được phát triển từ các bản thiết kế PWR, BWR và CANDU nêu trên, một số lại có các điểm suất phát cơ bản hơn.

Những loại được phát triển từ các thiết kế PWR, BWR và CANDU gồm Lò phản ứng Nước sôi Tiên tiến, một vài chiếc loại này hiện đang vận hành còn những chiếc khác thì đang được xây dựng. Thiết kế mới cơ bản nổi tiếng nhất là Lò phản ứng Mô-đun Tầng sỏi, sử dụng helium làm chất tản nhiệt ở nhiệt độ cực cao để quay tua-bin một cách chính xác.

Các thiết kế thế hệ IV vẫn còn đang trên bàn vẽ và sẽ không thể vận hành sớm nhất trước năm 2020. Chúng có xu hướng có các chu trình nhiên liệu khép kín và đốt cháy các actinit có vòng đời dài, là các chất hiện đang góp phần tạo nên nhiên liệu đã dùng, vì vậy các sản phẩm của quá trình nhiệt hạch sẽ chỉ là chất thải cấp độ cao. Rất nhiều lò sẽ là các lò phản ứng neutron nhanh.

Xét trên vòng đời nhiên liệu khép kín, các lò phản ứng thế hệ 1-3 tái chế plutonium (và có lẽ cả uranium) còn lò thế hệ thứ IV được kỳ vọng là sẽ tái chế hoàn toàn actinit.

Sau đây là tổng kết các đặc điểm quan trọng nhất của các lò phản ứng thế hệ II. Điểm quan trọng của thế hệ này là nó hiện đang chiếm hơn 99% các lò phản ứng hiện đang vận hành và được kỳ vọng là sẽ còn vận hành trong 20 năm tới cho đến khi tới điểm kết thúc vòng đời theo dự kiến của chúng.

Lò phản ứng Nước áp lực

Nước thô chịu áp suất khoảng 160 bar (đơn vị đo áp suất) hoạt động vừa như chất làm chậm lại vừa như chất tản nhiệt. Nhiên liệu có tới 5% UO2 được làm giàu ở các ống Zircaloy. Nước thô làm nóng nước ở trong một mạch thứ cấp để tạo ra hơi nước. Lò phản ứng được đặt trong một tòa nhà bao che. Hiệu suất nhiệt là khoảng 32%.

Lò phản ứng nước sôi (BWR)

Về cơ bản là một lò PWR không có lò hơi và mạch thứ cấp. Nước ở áp suất khoảng 70bar được bơm qua lõi và do nó ở áp suất thấp hơn so với PWR, nên hơi được sản sinh ra ở mạch thứ cấp. Khoảng 10% nước được chuyển hóa thành hơi nước và di chuyển tới tuabin hơi. Sau khi ngưng tụ nước chịu áp suất và trở lại thành chất tản nhiệt. Công suất đơn vị của một lò BWR bằng một nửa công suất của một lò PWR với hiệt độ và áp suất thấp hơn, nhưng hiệu suất thì tương đương.

Lò phản ứng CANAdia DeUterium (CANDU)

Nước nặng được sử dụng vừa làm chất làm chậm vừa làm chất tản nhiệt. UO2 tự nhiên ở các ống Zircaloy được sử dụng làm nhiên liệu. Các ống nhiên liệu đi xuyên qua một khoang nước nặng. Nước nặng được bơm qua các ống nhiên liệu ở áp suất 90 bar và sau đó tới một lò hơi như ở lò PWR. Công suất đơn vị là khoảng bằng 1/10 công suất của lò PWR.

Lò phản ứng tản nhiệt bằng khí nhiệt độ cao (HTGR)

Đó là các lò phản ứng tản nhiệt bằng helium, được làm chậm bằng graphit. Nhiên liệu ở dạng hạt bọc có chứa các sản phẩm phân hạch. Nước được sử dụng ở mạch thứ cấp để sản sinh ra hơi nước. Gần đây, khái niệm tuabin khí chu trình trực tiếp (đơn vòng) đang được phát triển.

Lò phản ứng làm lạnh kim loại lỏng (LMFR)

Kim loại lỏng truyền nhiệt rất hiệu quả và chỉ làm chậm rất ít các neutron từ phân hạch. Do vậy, các lò LMFR cần nhiều vật liệu phân hạch hơn để giữ cho phản ứng chuỗi tiếp tục diễn ra. Lõi có thể chứa vật liệu giàu để sản sinh ra nhiên liệu mới. Do chúng có thể tái sinh nhiên liệu, nên chúng còn được gọi là các lò phản ứng tái sinh.

Natri được sử dụng dưới dạng kim loại lỏng phổ biến nhất cho các lò phản ứng này. Uranium, plutonium đioxit và các kim loại được làm giàu đang được sử dụng làm nhiên liệu. Hoạt động ở áp suất thấp hơn nhiều so với các lò phản ứng nước nhẹ phổ biến.

Các dạng lò khác

Có hai dạng lò phản ứng được phát triển và xây dựng chỉ ở nước Anh, đó là lò Magnox và AGR, những lò này vẫn đang vận hành.

Magnox là lò phản ứng được làm chậm bằng graphit, tản nhiệt bằng cacbon điôxit (ở áp suất 20 bar). Loại lò này có nhiên liệu uranium tự nhiên trong lớp bọc hợp kim Magie. Hiệu suất nhiệt tổng thể là khoảng 30%.

Lò AGR, Lò phản ứng Tản nhiệt bằng Khí tiên tiến, là loại lò phản ứng tản nhiệt bằng khí với chất làm chậm là graphit và chất tản nhiệt là cacbon điôxit ở áp suất 40 bar. Nhiên liệu là 3% uranium điôxit làm giàu và vỏ bằng thép không rỉ. Hiệu suất nhiệt của nó là khoảng 40%. Đó là thiết kế duy nhất của nước Anh.

Tương tự, Lò phản ứng Nước Sôi làm chậm bằng graphit (RBMK) là một thiết kế cũ hơn của Nga và chỉ được xây dựng dưới thời Liên bang Xô Viết trước đây. Lõi của RBMK là một tập hợp của các khối graphit nhờ đó chạy các ống áp suất có chứa nhiên liệu. Nước được bơm qua những ống này tại đó nó bị làm sôi để bốc hơi. Nhiên liệu là 2% uranium điôxit trong các ống Zircaloy. Bảng 4 tổng kết các loại vật liệu được sử dụng cho các lò phản ứng thế hệ II.

Thế hệ III

Lò phản ứng điện hạt nhân thế hệ III là các mẫu thiết kế tiên tiến dựa trên kinh nghiệm tích lũy thu được từ các lò phản ứng thế hệ II.

Các mục tiêu thiết kế gồm: 1) đơn giản hóa cơ cấu bộ phận; 2) các dung sai lớn hơn để hạn chế rủi ro của hệ thống; 3) các giai đoạn gia hạn dài hơn để đáp ứng với những tình trạng khẩn cấp; 4) độ khả dụng cao; 5) cạnh tranh về kinh tế; 6) tuân thủ theo các mục tiêu về an toàn đã được quốc tế công nhận; 7) cải thiện khả năng giảm thiểu và phòng ngừa tai nạn nghiêm trọng.

Những lò phản ứng thế hệ III gồm có: Lò nước sôi tiên tiến (ABWR), lò nước áp lực tiên tiến hệ 80+ (APWR) và lò phản ứng thiết kế thụ động AP600. Những thiết kế này được phát triển ở Hoa Kỳ và được Ủy ban Kiểm soát Hạt nhân Hoa Kỳ cấp chứng nhận vào thập niên 90. Các lò ABWR và APWR đã được xây dựng và vận hành ở các nước khác trên thế giới.

Đặc điểm chung của các lò phản ứng thế hệ III:

• Một thiết kế chuẩn cho mỗi một kiểu lò để xin cấp li-xăng, giảm chi phí vốn và giảm thời gian xây dựng;
• Thiết kế đơn giản và chắc chắn hơn, khiến cho chúng dễ vận hành và ít bị tổn hại bởi các rối loạn vận hành;
• Độ khả dụng cao hơn và vòng đời hoạt động dài hơn, tiêu biểu là 60 năm;
• Giảm nguy cơ các tai nạn chảy lõi;
• Giảm đến mức tối thiểu tác động đến môi trường;
• Khả năng đốt cháy hết cao hơn để giảm mức sử dụng nhiên liệu và lượng chất thải;
• Các chất hấp thụ (được coi là các chất độc) có khả năng cháy kéo dài chu trình nhiên liệu.

Điểm xuất phát lớn nhất từ các thiết kế thế hệ II đó là nhiều lò tích hợp các đặc điểm an toàn cố hữu hoặc thụ động, đòi hỏi không cần kiểm soát tích cực hoặc can thiệp vận hành để tránh các tai nạn trong trường hợp trục trặc, và có thể dựa vào trọng lực, sự đối lưu tự nhiên hoặc độ chịu nhiệt cao. Bảng 6 dưới đây cho thấy sự tiến hóa trong các mẫu thiết kế lò phản ứng nước nhẹ thế hệ III.

Các lò phản ứng điện hạt nhân cỡ vừa và nhỏ (SMRs)

Hiện nay, mối quan tâm đã tăng trở lại đối với các nhà máy kích thước vừa và nhỏ để phát điện từ năng lượng hạt nhân, và cho mục đích sử dụng kép. Mối quan tâm này được xuất phát từ mong muốn giảm chi phí vốn và nhu cầu cung cấp điện cách xa các hệ thống điện lưới chính.

Năm 2007, có khoảng 150 lò vừa và nhỏ (SMRs) đang vận hành trên thế giới: 41 lò có công suất nhỏ hơn 300 MWe, 109 lò có công suất từ 300 tới 700 MWe. Những lò này gồm: 32 lò phản ứng tản nhiệt bằng khí ở nước Anh (AGR và CGR), 32 lò PWR, 29 lò WWER và 27 lò HWR. Động lực chính là theo hướng trở thành các lò tích hợp, trong đó lõi, các bơm, các khoang áp suất và các lò hơi được chứa bên trong một khoang áp suất đơn.

SMRs được xây dựng đơn giản hơn do kích thước nhỏ, chúng phù hợp với điện lưới nhỏ hơn. Khả năng ngắt lò phản ứng một cách độc lập và khả năng loại bỏ nhiệt phân rã thụ động của một số thiết kế, kết hợp với sự kiểm soát tiên tiến hiện đại và các hệ thống thông tin thậm chí còn có thể mang lại khả năng vận hành từ xa chỉ với một vài người điều khiển.

Thế hệ III+

Là những lò phản ứng có thể được triển khai vào năm 2010. Những lò này được phát triển trong thập niên 90 của thế kỷ trước và đang ở các giai đoạn thiết kế và thực hiện khác nhau. Chúng gồm: lò phản ứng mô-đun tầng sỏi (PBMR) và AP1000.

Cả hai loại đều có các thiết kế an toàn thụ động còn PBMR được tản nhiệt bằng khí, là hai đặc điểm công nghệ dự báo trước cho sự xuất hiện của các lò phản ứng thế hệ IV. Những thiết kế này vẫn chưa được Ủy ban Điều phối Hạt nhân Hoa Kỳ chứng nhận.