Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt. Cấu tạo của lò gồm các bộ phận chủ yếu sau:

Cấp nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt.

Cung cấp chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch.

Tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch hạt nhân từ tâm lò để chuyển ra bộ phận bên ngoài.

Điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân.

Nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu phí các nơtron không phân hạch sao cho điều kiện nêu trên đây có thể được thoả mãn. Các quá trình bắt nơtron một cách vô ích có ba loại như sau:

Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch.

Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron.

Các nơtron rò ra khỏi hệ lò, không gây được một hiệu ứng nào cả.

Ảnh hưởng của ba quá trình này tới sự hoạt động của lò có thể thay đổi đáng kể do thiết kế.

Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng có thể là urani thiên nhiên trong đó có chứa 0,73% U235, urani đã được làm giàu, plutoni Pu239, thori Th233. Chất làm chậm (trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron đã được làm chậm một phần trước khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp), có thể là graphit, nước nặng D2O, nước thường H2O, berili và berili oxit BeO, các chất hữu cơ. Chất tải nhiệt có thể là chất khí, nước thường, nước nặng D2O, chất lỏng hữu cơ, kim loại lỏng v.v… Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào như graphit, berili v.v…

Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở những mức công suất cao, ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản ra một số lớn nơtron, các tia β và các tia γ. Ngay cả khi lò đó bị ngừng hoạt động, cường độ phóng xạ của các tia β và γ vẫn còn lớn do có một lượng lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra.

Chẳng hạn một lò có công suất 10 MW có thể sản ra 109 curi các sản phẩm phân hạch, đây là một cường độ phóng xạ gần đúng tương đương với cường độ phóng xạ của khối 1000 tấn radi. Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một “vỏ” vật liệu.

Để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235 bắt, ta phải dùng loại vật liệu có nguyên tử nhỏ, trong khi đó để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia γ lại phải có vật liệu với Z lớn. Do đó người ta thường dùng một hỗn hợp chất có Z nhỏ và chất có Z lớn làm vật chắn.

Trong một số trường hợp người ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và polyetilen để làm vật chắn, còn trong đa số trường hợp người ta dùng bê tông cho tiết kiệm. Người ta còn dùng loại bê tông đặc biệt là bê tông thông thường có thêm cốt sắt hoặc pha quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn các tia γ (với bề dày trên dưới 1m).

Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng phân hạch như urani hoặc plutoni

Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì.

Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhưng khả năng hấp thụ nơtron lớn nên không thể sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ. Ở đó người ta sử dụng nhiên liêu urani được làm giàu trên dưới 4% ở dạng ôxit urani.

Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành notron nhiệt. Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi là chất làm chậm.

Chất làm chậm có hai tính chất sau:

• Hấp thụ notron hiệu quả
• Giảm tốc độ của notron với hiệu suất cao

Vì vậy vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ.

Các loại chất làm chậm thông thường:

• Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí.
• Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt do không hấp thụ notron một cách lãng phí nên có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khó điều chế.
• Than chì tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại hấp thụ ít nơtron và giá tương đối rẻ.

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài gọi là chất tải nhiệt. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; Lò phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO2 hoặc heli và lò tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là natri.

Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thụ nơtron.

Muốn giảm tốc độ phản ứng thì đưa sâu chất điều khiển vào trong tâm lò và ngược lại muốn tăng tốc độ phản ứng thì đưa chất điều khiển ra xa. Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi.

Xem thêm: Tia phóng xạ – phân loại, tính chất, định luật phân rã

Lò khí là loại lò sử dụng khí làm chất tải nhiệt, loại lò này chủ yếu phát triển ở Anh. Chất làm chậm là than chì và nhiên liệu có thể sử dụng là urani tự nhiên. Lúc đầu loại lò này được dùng để sản xuất Pu (cho mục đích quân sự) và dùng không khí làm chất tải nhiệt.

Để phát triển loại lò này thành lò phản ứng phát điện, cần phải nâng nhiệt và áp lực của khí – chất tải nhiệt. Vì không thể sử dụng được không khí nên khí CO2 được dùng làm chất tải nhiệt. Từ đó đã ra đời loại lò khí kiểu Anh sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân.

Lò nước nặng là lò phản ứng sử dụng nước nặng làm chất làm chậm. Loại lò này chủ yếu phát triển ở Canada.

So với nước nhẹ, nước nặng hấp thụ rất ít nơtron nên có thể sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu

Tuy nhiên giá thành của nước nặng rất cao, khó chế tạo.

Lò nước nhẹ là lò phản ứng sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt. Có hai loại lò nước nhẹ là PWR (Pressurized Water Reactor – Lò nước áp lực) và BWR (Boiling Water Reactor – Lò nước sôi ).

PWR được phát triển cho mục đích quân sự. Ví dụ : như tạo sức đẩy cho tàu thuyền và đặc biệt là sử dụng cho tàu ngầm. Hệ thống thứ nhất của lò phản ứng được thiết kế không làm sôi nước mà truyền nhiệt sang hệ thống thứ 2 để tạo hơi nước, do vậy hơi nước làm quay tuabin không bị nhiễm xạ.

BWR ngay từ đầu đã được phát triển cho mục đích hoà bình là phát điện. Nước được làm sôi trong hệ thống thứ nhất của lò phản ứng và dùng hơi nước đó làm quay tuabin, do vậy tuabin bị nhiễm xạ khi vận hành. Nhưng do không có hệ thống thứ 2 nên cấu tạo lò đơn giản.

Urani tự nhiên không thể sử dụng làm nhiên liệu cho lò nước nhẹ. Nhiên liệu sử dụng là dạng oxit urani làm giàu thấp, khoảng 4%.

Nguyên lý

Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng nhiên liệu plutoni. Plutoni khi phân hạch bằng nơtron tốc độ cao sẽ có khoảng 3 nơtron mới được sinh ra. Số lượng nơtron sinh ra do 1 lần phân hạch ở đây là nhiều nhất. Nếu sử dụng khéo 3 nơtron thì có thể tạo ra lượng plutoni nhiều hơn so với lượng plutoni đã đốt cháy.

Ý nghĩa

So với trường hợp chỉ sử dụng một lần nhiên liệu urani ở lò nước nhẹ, khi sử dụng nhiều lần ở lò tái sinh nhanh có thể thu được năng lượng lớn hơn 50 lần. Số năm có thể khai thác urani sử dụng ở lò nước nhẹ vào khoảng 70 năm, nếu sử dụng lò tái sinh nhanh thì ta có thể sử dụng năng lượng nguyên tử trong khoảng 3000 năm.

Cơ chế hoạt động

Vì lò hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng notron nhanh nên không cần chất làm chậm. Chất tải nhiệt là natri. Vì Na có phản ứng khi tiếp xúc với không khí nên bề mặt của Na cần được phủ bằng khí trừ khí argon.

Tính kinh tế

Chi phí của lò hạt nhân tái sinh nhanh gấp từ 1,5 đến 2 lần so với lò nước nhẹ. Hiện tại về kinh tế thì chưa thể cạnh tranh với lò nước nhẹ nhưng trong tương lai, khi nguồn tài nguyên urani hết dần, giá urani tăng lên, có lẽ khi đó lò tái sinh nhanh có thể cạnh tranh được với lò nước nhẹ.

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

Trong thực tế chất thải của một số dạng phát điện dùng nhiệt phát tán thẳng vào môi trường nên đáng sợ hơn nhiều so với chất thải của nhà máy phát điện hạt nhân, vì chất thải của nhà máy phát điện hạt nhân có số lượng nhỏ, lại quản lý được.

Thí dụ so sánh:

Một nhà máy nhiệt điện chạy than cũng có công suất 1.000 MW, một năm thải ra 320.000 tấn tro bụi, trong đó có 400 tấn kim loại nặng, hít vào người rất nguy hại. Xỉ than của nhà máy cũng có lượng phóng xạ cao hơn nhiều so với mức phóng xạ mà những người sống xung quanh nhà máy điện hạt nhân tiếp xúc.

Nhà máy điện hạt nhân có hai dạng chất thải:

• Dạng thải phóng xạ thấp (phát sinh từ các phin lọc của lò phản ứng, từ các dụng cụ thay ra…), có thời gian bán rã ngắn, dài nhất 30 năm. Để xử lý, người ta sẽ bê tông hóa chúng, đóng vào các container nhỏ rồi chôn xuống đất. Sau một thời gian, chúng sẽ trở lại trạng thái an toàn. Một lò 1.000 MW mỗi năm sẽ thải ra khoảng 800 tấn chất thải loại này, cô đặc lại còn khoảng 10 mét khối.
• Nhiên liệu đã cháy là loại chất thải đáng lo ngại nhất. Một lò 1.000 MW thải ra khoảng 30 tấn mỗi năm. Chúng có cường độ phóng xạ cao, và thời gian bán rã rất lâu. Song, từ khi nhiên liệu được thải ra cho đến khi cần xử lý phải mất 40-50 năm.

Như vậy, nếu Việt Nam vận hành nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020, thì phải đến năm 2070, chúng ta mới phải tính đến việc này. Đến lúc đó chắc chắn công nghệ xử lý chất thải của thế giới sẽ tiến bộ rất xa so với giai đoạn hiện nay.

Việt Nam hiện có một Viện Năng lượng nguyên tử ở Đà Lạt. Đây là lò phản ứng hạt nhân duy nhất hiện ta đang có thuộc loại lò nghiên cứu, chạy bằng urani – 235 làm giầu, chất làm chậm là nước thường, tải nhiệt bằng quá trình đối lưu tự nhiên, có ba chức năng chính:

• Đào tạo cán bộ cho ngành hạt nhân.
• Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân, các nghiên cứu ứng dụng trong các ngành khoa học, kỹ thuật như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, sinh học v.v..
• Sản xuất một số đồng vị pháng xạ cung cấp cho nhu cầu trong nước để chẩn đóan và điều trị trong ngành y tế, nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp v.v…

Nghiên cứu của Viện năng lượng nguyên tử VN cho thấy, nhu cầu điện của nước ta đang tăng 17% mỗi năm (trong 3 năm gần đây). Cứ đà này, Việt Nam sẽ nhanh chóng bị thiếu điện, và đến năm 2017-2020 sẽ cần có nhà máy điện hạt nhân để đáp ứng nhu cầu. Hiện trong các nước Đông Nam Á, chỉ có Indonesia và Việt Nam đang thúc đẩy phát triển điện hạt nhân.

Dự báo trong khoảng 10 năm nữa, Việt Nam sẽ thiếu năng lượng sơ cấp (than, dầu…). Việt Nam từ một nước xuất khẩu dầu sẽ trở thành nước phải nhập khẩu mặt hàng này, cộng với việc tăng nhu cầu sử dụng điện sẽ dẫn đến thiếu điện nghiêm trọng.

Ước tính đến năm 2020, dù có áp dụng các biện pháp tiết kiệm, nhu cầu điện của Việt Nam vẫn lên đến 200-230 tỷ KW/h, trong khi lượng điện sản xuất từ nguồn năng lượng sơ cấp chỉ đáp ứng được khoảng 165 tỷ KW/h.

Lượng điện thiếu hụt cần phải được bổ sung bằng cách nhập khẩu điện từ các nước láng giềng với một lượng không đáng kể và sử dụng điện nguyên tử. Chính vì vậy, việc ra đời nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020 sẽ kịp thời đáp ứng được nhu cầu cấp bách lúc đó.

Theo kinh nghiệm của nhiều nước có nhà máy điện hạt nhân, quá trình xây dựng một công trình tương tự sẽ mất khoảng 13-15 năm.

Xã Vĩnh Hải, huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận có thể sẽ được chọn đặt nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận, là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nước ta. Dự kiến nhà máy bắt đầu được xây dựng vào năm 2012, để đến năm 2020 có thể hòa điện lưới quốc gia, với 2 lò phản ứng có công suất tổng cộng 2.000 MW.

Trước mắt, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên sẽ có 2 tổ máy (mỗi lò công suất 1.000 MW), với vốn đầu tư khoảng 3 tỷ USD, về sau có thể bổ sung 2- 4 lò. Thiết bị cho nhà máy sẽ được nhập khẩu. Các lò phản ứng tiếp theo sẽ từng bước được nội địa hóa, mà đầu tiên là thanh nhiên liệu.

Dự kiến khi nhà máy đầu tiên đi vào hoạt động, điện hạt nhân sẽ chiếm tỷ trọng khoảng 6-10% sản lượng điện của Việt Nam.

Tuy nhiên trước các sự cố nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản, kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam đã bị hoãn vô thời hạn. Chắc phải trong một tương lai xa, khi các thế hệ nhà máy điện hạt nhân mới đủ an toàn hơn. Đồng thời khoa học kỹ thuật của chúng ta phát triển hơn để có thể kiểm soát được nhà máy thì mới cân nhắc phát triển điện hạt nhân.