Lò phản ứng thế hệ I ra đời đầu thập niên 50, tuy nhiên chúng đang dần dần bị đào thải.

• Thế hệ thứ II ra đời vào đầu thập niên 70.
• Thế hệ thứ III, vào thập niên 90.
• Thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều hy vọng trở thành một công nghệ toàn hảo vì sẽ làm giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc thải khí CO2, thực hiện được an toàn lao động trong vận hành và nhất là loại lò này sẽ là “lò phản ứng tự giải quyết” trong trường hợp có tai nạn xảy ra.

Lò phản ứng có tên Magnox do 3 nhà vật lý người Anh sáng chế là Ts. Ion, Ts. Khalit, và Ts. Magwood. Lò Magnox sử dụng nguyên liệu urani trong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% chất đồng vị U-235 và 99,2% U-238.

Nguyên tắc vận hành có thể được tóm tắt như sau: Các ống kim loại urani được bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm nhôm và magiê. Một lớp than graphit đặt nằm giữa ống urani và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích nơtron do sự phân hạch U-235. Từ đó các nơtron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U-235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra.

Để điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt. Nó có tính chất hấp thụ các nơtron, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Có 26 lò Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện chỉ còn 8 lò đang hoạt động.

Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đa số các lò đang hoạt động trên thế giới. Từ ban đầu, 60% loại lò này áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, . Nhưng đã dần dần được thay thế bằng lò nước sôi BWR. Nhiên liệu sử dụng cho lò này là hợp chất urani đioxit và hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi. Urani 235 sẽ được làm giàu từ 0,7% đến 3,5%.

Một khác biệt cơ bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Như vậy, phương pháp này sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi truyền nhiệt qua tuabin để biến thành điện năng.

Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghiên cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ II. Năm 1996 tại Nhật đã có loại lò này. Hiện tại các lò này đang được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới vì thời gian xây dựng tương đối ngắn ( chỉ xây trong khoảng 3 năm) và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ trước. Hơn nữa, việc vận hành cũng như bảo dưỡng loại lò này tương đối đơn giản và an toàn hơn.

Các nhà khoa học đang tiến dần đến việc xây dựng các lò hạt nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn sÏ hoàn toàn tự động, sẽ không còn có việc phát thải khí CO2. Thế hệ IV còn được gọi là “lò phản ứng cách mạng”. Thế hệ này dù kiÕn sẽ được ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn những điều kiện sau:

• Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại;
• Độ an toàn rất cao nên có thể xem như an toàn 100%;
• Giảm thiểu phát thải đến mức tối đa.

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

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt.

Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ ra.

Hai phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm và U235 là:

0n1 + 92U235 → A + B + νn’

và: 0n1 + 92U235 → 92U236 + γ

trong đó A và B là hai hạt nhân nhẹ hơn U235 gọi là các mảnh phân hạch.

Để lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng thái mà ở đó phản ứng dây chuyền tự duy trì phải có một sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện trong phân hạch.

Urani thiên nhiên có chứa 99,6% đồng vị U238 và 0,7% đồng vị U235. Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng lượng lớn hơn 1 MeV). Khi hấp thụ notron chậm U238 sẽ biến thành Pu239. Trái lại, hạt nhân U235 sẽ bị vỡ khi hấp thụ cả notron chậm và nơtron nhanh. Tuy nhiên xác suất hấp thụ notron chậm của hạt nhân U235 lớn hơn nhiều so với xác suất hấp thụ notron nhanh.

Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (có năng lượng nhỏ từ 0,1→0,001 eV), còn U238 và Th232 sẽ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV).

Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành hạt nhân ZXA+1 ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức cơ bản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân mới. Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra. Nếu ngược lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ γ.

Các phản ứng phân hạch của hạt nhân U235 bằng nơtron nhiệt có thể viết như sau:

0n1 + 92U235 → 2 mảnh phân hạch + νn’

0n1 + 92U235 → 2 mảnh phân hạch + các hạt β-

0n1 + 92U235 → 2 mảnh phân hạch + Các lượng tử γ

Xác suất phân hạch là tỉ số 1/(1+α) trong đó α là tỉ số giữa số phản ứng bắt và số phản ứng phân hạch. Như vậy xác suất bắt sẽ là α/(1+α).

Cho nên đứng về mặt xác suất ta có thể viết lại phản ứng phân hạch của U235 do nơtron như sau:

0n1 + 92U235 → 2/(1+ α) mảnh + (α /(1+ α))U236+ +(1/(1+ α))ν nơtron+ các hạt β + các hạt γ + năng lượng toả ra.

Khi hạt nhân U235 phản ứng với một notron thì xác suất xảy ra phân hạch là 1/(1+α), mà mỗi lần phân hạch có ν notron được tạo thành, cho nên

η = ν(1/(1+α))

η là số nơtron trung bình được tạo ra khi hạt nhân U235 hấp thụ một nơtron.

Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có 1 notron bị hấp thụ và do đó η notron mới được tạo thành. Để đơn giản ta giả định là tất cả các notron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lượng như nhau. Trong số η notron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu (trong đó ∑fa là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạch của nhiên liệu, ∑a là tiết diện hấp thụ toàn phần của tất cả các vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu).

Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có 1 nơtron bị hấp thụ. Do hấp thụ nơtron đầu tiên này mà η nơtron mới được tạo thành. Để đơn giản ta giả định là tất cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lượng như nhau.

Vì thế cho nên đối với lò có kích thước lớn đến mức không có một notron nào có thể rò ra khỏi lò ta nói đó là một lò vô hạn. Khi đó hệ số nhân sẽ có dạng:

Nếu lò có kích thước hữu hạn thì: k = η.f.Pt (đối với trường hợp 1 nhóm).

Trong đó Pt là xác suất để nơtron nhiệt không thoát ra khỏi lò.

Tỷ số giữa số nơtron được làm chậm xuống dưới ngưỡng phân hạch của U238 chia cho số nơtron xuất hiện ban đầu trong hệ được ký hiệu là  và được gọi là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh. Giả sử có m nơtron bị làm chậm qua vùng cộng hưởng thì trong đó chỉ có n nơtron tránh được sự hấp thụ cộng hưởng để xuống được vùng nhiệt. Như vậy p=m/n gọi là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng. Từ đó ta có công thức bốn thừa số như sau:

k∞ = η.ε.p.f

Trong đó:

• η là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân U235 hấp thụ 1 nơtron.
• ε là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh.
• p là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng.
• f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt.
• k∞ = 1 là điều kiện tới hạn của lò.

Nếu lò là hữu hạn hoặc có kể đến hiện tượng rò của các nơtron ra khỏi lò thì công thức bốn thừa số biến thành:

k = η.ε.p.f.Pt.Pf

Người ta hay dùng một phương trình gần đúng gọi là phương trình khuếch tán xem các nơtron như là khuếch tán trong môi trường các hạt nhân nhiên liệu.

Ví dụ đối với lò hình cầu ta có:

Trong đó:

• D là hệ số khuếch tán.
• Φ là thông lượng nơtron trong lò.
• S là tốc độ tạo ra nơtron trong 1cm3 sau 1 giây.

Giải phương trình khuếch tán ta sẽ biết được phân bố thông lượng nơtron Φ trong lò.

Để đơn giản, ta giả thiết rằng lò là đồng nhất, không có chất phản xạ nơtron, chưa kể đến các hiệu ứng nhiệt độ của môi trường v.v…

Nếu gọi τ là thời gian sống trung bình của nơtron trong lò, nghĩa là khoảng thời gian từ lúc nơtron được sinh ra do phân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp thụ hoặc bị rò ra ngoài lò. Có thời gian τ bao hàm cả thời gian sinh, thời gian làm chậm và thời gian khuếch tán của các nơtron nhiệt. Tuy nhiên có thể coi τ của một thế hệ nơtron gần đúng bằng thời gian khuyếch tán của nơtron nhiệt.

• Các lò có chất làm chậm là graphít hay nước nặng thì τ≈10-3 giây.
• Đối với lò chạy bằng nước thường τ≈10- 4 giây.
• Các lò chạy bằng nơtron nhanh thời gian sống trung bình của nơtron đạt tới 10-7 – 10-8 giây.

Mật độ nơtron trong lò ở thời điểm t có thể tính được theo công thức:

Trong đó: no là mật độ nơtron ở thời điểm đầu.

Do đó nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 sẽ tăng theo hàm mũ.

Nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 sẽ tăng theo hàm mũ. Bây giờ giả định rằng ở trạng thái hiện tại của lò k = 1,001 đó là một trạng thái không khác lắm với trạng thái tới hạn

Do đó δk = k – 1 = 1,001 – 1 = 0,001. Đối với các lò chạy bằng nơtron nhiệt

τ = 10-3 giây = 0,001 giây.

Do đó:

Nghĩa là thông lượng nơtron và do đó công suất của lò tăng e lần sau mỗi giây. Nếu lò chạy bằng urani có hàm lượng cao( ~ 10-5 giây), hoặc đối với lò chạy bằng nơtron nhanh(τ ~ 10-7 – 10-8 giây) thì tốc độ tăng công suất còn cao hơn nữa.

Thực tế là trong tổng số các nơtron được tạo thành do phân hạch, có một phần nhỏ (cỡ 0,75 %) xuất hiện dưới dạng nơtron “trễ” nghĩa là xuất hiện sau từ một phần giây đến vài giây. Chính sự có mặt của các nơtron này đã làm cho mật độ nơtron thay đổi chậm hơn nhiều so với tốc độ đã tính được trên đây. Do đó mà vấn đề điều khiển lò trở nên đơn giản hơn. Do chúng làm cho thời gian sống trung bình của nơtron kéo dài ra, trở nên lớn hơn nhiều so với thời gian khuếch tán của các nơtron nhiệt (~10-3 giây). Điều đó làm cho thời gian để công suất lò tăng lên e lần tăng lên nhiều.

Các nơtron trễ có hai loại: một loại do các sản phẩm phân hạch sinh ra, loại thứ hai là kết quả của phản ứng. Một số sản phẩm phân hạch chứa số nơtron nhiều hơn số cần thiết cho hạt nhân ở trạng thái bền vững, do đó nó tự phân rã. Hạt nhân của các sản phẩm phân hạch có thể ở trạng thái kích thích mạnh, có một dự trữ năng lượng lớn để trong những điều kiện nhất định phát ra các nơtron.

Thí dụ: một trong những sản phẩm phân hạch của U235 là Br87, chu kỳ bán rã của nó là 55,6 giây, phân rã như sau:

Br87 → Kr87+ β- → Kr86 + n

Cho nên lúc đó sự thay đổi của thông lượng nơtron khi có kể đến ảnh hưởng của các nơtron trễ (ví dụ khi k = 1,001 chẳng hạn) là:

Nghĩa là sau 100 giây thông lượng nơtron (hay công suất lò) sẽ tăng lên e lần. Với tốc độ tăng như vậy con người hoàn toàn có khả năng điều khiển được các quá trình xảy ra trong lò.

Phản ứng của lò có thể thay đổi phụ thuộc vào những dao động về nhiệt của môi trường lò. Tốc độ tương đối giữa hạt nhân và các nơtron thay đổi theo t0 do hai nguyên nhân:

• Làm thay đổi tốc độ tuyệt đối của các hạt nhân: Sự thay đổi nhiệt độ làm xuất hiện hiệu ứng Dopple làm thay đổi bề rộng của mức cộng hưởng do đó làm thay đổi hệ số p trong công thức 4 thừa số. Khi đốt nóng các chất trong lò, xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng giảm xuống, do đó độ phản ứng giảm xuống.
• Làm thay đổi sự phân bố tốc độ của các nơtron nhiệt.

Sau mỗi hiện tượng phân hạch, trong môi trường của lò xuất hiện hai mảnh phân hạch với số khối lượng thường nằm giữa 95 và 140. Các mảnh này đến lượt mình lại phân rã để tạo thành một số lớn hạt nhân – gọi chung là các sản phẩm phân hạch.

Tất cả các hạt nhân là sản phẩm phân hạch này có các tiết diện hấp thụ nơtron, song tiết diện phân hạch của các hạt nhân này đối với các hạt nơtron có năng lượng thấp hơn 10MeV bằng không. Do đó phân hạch chẳng những đã mất bớt các hạt nhân nhiên liệu (U235) mà còn làm xuất hiện các hạt nhân mới chỉ có khả năng hấp thụ mất nơtron mà không có khả năng phân hạch.

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

Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron nhanh bắn ra. Nếu dùng chất làm chậm nơtron để năng lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1 – 0,01eV) thì có thể dùng urani thiên nhiên làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền.

Tính chất này được dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235, Pu239, U233). Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh urani thiên nhiên hay plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khổ dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.

Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh cadimi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dảm những thanh cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh hơn thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn vị (k = 1).

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để bảo đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì chất làm lạnh phải đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtron.

Chúng ta mới chỉ nghiên cứu lò ở trạng thái tới hạn tức là trạng thái ở đó thông lượng nơtron trong lò không đổi theo thời gian. Để sử dụng một cách bình thường lò phản ứng ta phải biết cách điều khiển nó theo ý muốn.

Để đặc trưng cho mức độ lò ra khỏi trạng thái tới hạn người ta đưa vào một đại lượng được gọi là độ phản ứng của lò:

Khi lò ở trạng thái tới hạn k = 1 do đó p = 0, khi k > 1, p > 0 lò ở trạng thái trên tới hạn, còn khi k < 1, p < 0 lò ở trạng thái dưới tới hạn.

Việc điều khiển lò được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị của thông lượng nơtron trong lò. Nếu thông lượng nơtron trong lò không thay đổi, lò phản ứng ở trạng thái tới hạn, hệ số nhân nơtron k trong lò bằng 1.

Có thể thay đổi thông lượng nơtron trong lò bằng hai cách:

• Đưa vào hoặc rút bớt ra khỏi vùng hoạt động của lò các chất hấp thụ mạnh nơtron, như chất bo chẳng hạn.
• Đưa lại gần vùng hoạt hay đưa ra xa vùng hoạt một chất phản xạ nơtron nào đó.