Lò phản ứng hạt nhân

Nguyên tắc hoạt động

Cũng như các nhà máy điện thông thường tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các lò phản ứng hạt nhân biến đổi năng lượng nhiệt phát ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân.

Làm mát

Chất làm mát lò phản ứng hạt nhân - thường là nước nhưng đôi khi là khí hoặc kim loại lỏng (như natri lỏng) hoặc muối nóng chảy - được lưu thông qua lõi lò phản ứng để hấp thụ nhiệt mà nó tạo ra. Nhiệt được mang đi từ lò phản ứng và sau đó được sử dụng để tạo hơi nước. Hầu hết các hệ thống lò phản ứng sử dụng một hệ thống làm mát được tách biệt vật lý với nước sẽ được đun sôi để tạo ra hơi áp suất cho các tuabin, giống như lò phản ứng nước điều áp. Tuy nhiên, trong một số lò phản ứng, nước cho tua bin hơi được đun sôi trực tiếp bởi lõi lò phản ứng; ví dụ lò phản ứng nước sôi.

Kiểm soát phản ứng

Việc điều khiển này được thực hiện bởi các thanh điều khiển chế tạo bằng vật liệu hấp thụ neutron như cađimi
Khi số neutron trong lò tăng lên quá nhiều (k>1), người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu phân hạch để hấp thụ neutron thừa. Năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng sẽ không đổi theo thời gian

Điện năng

Năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần trong đó có thể được chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được. Một phương pháp phổ biến nhằm khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng nó đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao mà sau đó sẽ quay một tua bin hơi nước và tạo ra điện.

Nhân viên trong nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân thường sử dụng chỉ dưới một nghìn người mỗi lò phản ứng (bao gồm cả nhân viên bảo vệ và các kỹ sư).

Điều khiển và vận hành

Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng là U235 hay Pu239.
Nhờ vào khả năng hấp thụ Neutron tốt nên Bo được ứng dụng vào điều khiển và vận hành lò phản ứng hạt nhân để đưa lò về trạng thái cân bằng (k =1)
Có 2 cách điều khiển lò phản ứng hạt nhân: Điều khiển bằng dung dịch (axit Bo) và điều khiển bằng cơ học (Bằng chuyển động của các thanh điều khiển)
Điều khiển bằng dung dịch axit Bo là quá trình điều khiển lâu dài, chậm. Khi lò bắt đầu hoạt động thì nồng độ của Bo ở mức 9g/kg và tới cuối thời gian vận hành của nhà máy, nồng độ này dần tới 0.
Điều khiển cơ học bằng việc cho thanh điều khiển trong đó có chứa Bo chuyển động lên hoặc xuống vùng hoạt của lò phản ứng. Điều khiển này thường nhằm thay đổi nhanh chóng trạng thái của lò.
Thanh nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân được làm ở dạng dài bên ngoài được bọc kín bằng kim loại có nhiệt độ nóng cháy cao, bên trong là là nhiên liệu. Nhiên liệu được làm thành các viên trụ rời nhau, ở giữa có 1 lỗ nhỏ. Ở đỉnh của thanh nhiên liệu có 1 khoang nhỏ nhằm chứa các sản phẩm khí sinh ra trong quá trình làm việc.
Ở các lò thế hệ sau hiện đại hơn như lò PWR-1200 thì trong thanh nhiên liệu còn có chứa thêm thành phần Cd, nó giúp lò hoạt động hiệu quả và an toàn hơn.
Chất làm mát (chất tản nhiệt) chạy xung quanh các thanh nhiên liệu lấy nhiệt và làm mát thanh nhiên liệu.
Chất làm chậm neutron cũng được sắp xếp xen kẽ thích hợp trong lò sao cho mỗi lần phân hạch bao giờ cũng có ít nhất một nơtron tiếp tục gây ra một phân hạch khác., trong lò PWR thì chất làm mát, chất làm chậm đều là nước. Ở một số lò khác là Grafit (than chì),nước nặng,berili...
Trong một số tình huống cần dừng lò khẩn cấp thì thanh điều khiển được sập xuống tối đa, dung dịch axit Bo được bơm vào vùng hoạt của lò.
Khi lò bắt đầu hoạt động,thì số neutron tự sinh ra là rất ít, nó không đủ để gây ra phản ứng dây chuyền. Người ta đã dùng phản ứng của Heli để sinh ra những dòng Netron kích thích cho phản ứng dây chuyền.
Động năng của các mảnh phân hạch và nơtron được biến đổi thành năng lượng nhiệt. Thành thử, lò phản ứng là một nguồn nhiệt khổng lồ có thể tạo ra những nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng tạo ra được một chất tải nhiệt tải đi theo các ống dẫn chạy qua vùng trung tâm lò (chất tải nhiệt có thể là nước, kim loại(Natri), hoặc khí(CO2), Chì,). Trong nhiều trường hợp người ta dùng nước là chất làm chậm, đồng thời làm chất tải nhiệt.