Chu trình nhiên liệu hạt nhân

#Bài viết được tham khảo từ trang của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế - IAEA và trang của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

(Nuclear Fuel Cycle Information System NFCIS - IAEA)

Chu trình nhiên liệu hạt nhân là gì?

Uranium là một nguyên tố tự nhiên có trong vỏ Trái đất, được sử dụng làm nhiên liệu cho ngành điện hạt nhân (và một số ngành khác). Quá trình tách chiết Urani và sử dụng nó để sản xuất điện được gọi là chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Có hai dạng chu trình nhiên liệu hạt nhân đang sử dụng trên thế giới:

chu trình mở (dùng một lần)
chu trình kín (tái chế).

Tại Hoa Kỳ hiện đang sử dụng chu trình mở, nghĩa là nhiên liệu được dùng chỉ một lần trong lò và sau đó cất trữ. Tại các nước khác như Nga hay châu Âu, chu trình nhiên liệu kín hơn, và nhiên liệu đã qua sử dụng được tái chế một phần (nhỏ).

Các giai đoạn của chu trình nhiên liệu:

1. Khai mỏ và nghiền quặng

Urani là nguyên tố có trữ lượng lớn trong tự nhiên, gấp khoảng 500 lần vàng, và phổ biến ngang với thiếc.

Có ba cách khai thác Urani: khai thác mỏ lộ thiên, khai thác hầm mỏ, và khai mỏ dung dịch.

Cuối giai đoạn nghiền quặng, Urani dưới dạng U₃O₈ được nén lại thành các bánh có màu vàng chứa tới 80% Urani. Các bánh này được đưa tới cơ sở chuyển đổi.

(Bột U₃O₈ trước khi nén lại thành bánh)

2. Chuyển đổi

Urani tự nhiên chứa chủ yếu 2 đồng vị: 99,3% là U-238 và 0,7% là U-235. Quá trình phân hạch tạo ra năng lượng chủ yếu từ U-235. Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu Urani với hàm lượng U-235 được làm giàu lên 3-5% (trừ loại lò sử dụng Urani tự nhiên thì không cần làm giàu Urani, ví dụ loại lò CANDU của Canada).

Để tăng hàm lượng U-235, Urani phải được làm giàu. Để làm giàu cần chuyển các bánh vàng U₃O₈ sang dạng khí UF₆. Điều này được thực hiện tại cơ sở chuyển đổi. Khí UF6 được bơm vào các thùng lớn dạng trụ sau đó được chuyển tới cơ sở làm giàu.

3.Làm giàu

Urani được làm giàu bằng nhiều biện pháp như: khuếch tán, li tâm, laser. Quá trình làm giàu giúp tăng hàm lượng đồng vị U-235 lên 3-5%.

(Làm giàu Urani bằng phương pháp laser)

Sau khi làm giàu, Urani dưới dạng UF₆ vẫn chưa thể trực tiếp sử dụng làm nhiên liệu trong lò. Vì nó chưa thể chịu được áp suất và nhiệt độ rất cao trong vùng lõi lò phản ứng. Do đó chúng được đưa đến cơ sở sản xuất, chế biến nhiên liệu thành phẩm.

4. Sản xuất nhiên liệu thành phẩm

Khí UF6 sau khi được làm giàu được chuyển đổi thành Urani dioxit (UO₂ ), sau đó chúng được nén vào các viên nhiên liệu. Các viên này được “nướng” đến nhiệt độ hơn 1400 độ C để đạt mật độ và độ bền cao.

Sau đó các viên này được xếp vào các thanh nhiên liệu, rồi các thanh nhiên liệu được bó thành các bó nhiên liệu.

(Các viên nhiên liệu được xếp vào các thanh nhiên liệu)

Phương Tây hay dùng bó dạng trụ đáy vuông, còn Nga lại dùng bó dạng trụ đáy lục giác. Và chính các bó nhiên liệu này được đưa vào lò phản ứng để phân hạch, tạo ra năng lượng.

5.Nhiên liệu trong lò phản ứng

Nhiên liệu được đưa vào lò theo từng bó. Mỗi bó sử dụng khoảng 3-6 năm. Khoảng mỗi năm một lần, 20-30% các bó nhiên liệu trong lò được thay mới. Các bó nhiên liệu đã sử dụng được đưa ra khỏi lò và đưa tới bể chứa để làm mát.

6. Cất trữ nhiên liệu đã qua sử dụng

Các bó nhiên liệu mới được đưa ra khỏi lò rất nóng và có độ phóng xạ cao. Vì vậy trước tiên chúng được cất trữ trong các bể nước sâu để làm mát và giảm độ phóng xạ. Sau một vài năm chúng có thể được chuyển tới các cơ sở cất trữ lâu dài.

(Bể chứa các bó nhiên liệu lấy ra từ lò - màu xanh dương là do bức xạ Cherenkov)

Cả nhiệt và độ phóng xạ giảm theo thời gian. Sau 40 năm cất trữ, độ phóng xạ của chúng có thể giảm hơn 1000 lần so với khi mới đưa ra từ lò phản ứng.

7. Tái xử lý - tái chế

Nhiên liệu đã qua sử dụng chứa Urani (96%) (U-235 <1% còn lại đa phần là U-238), Plutoni (1%) và các chất phụ phẩm phân hạch khác (3%). Urani, với ít hơn 1% U-235, và Plutoni có thể được tái sử dụng. Một vài quốc gia có các cơ sở tái chế số Urani và Plutoni có ích này, chúng được tách khỏi phần chất thải không thể sử dụng.

Urani mới được tách ra có thể trở lại cơ sở chuyển đổi, và trải qua quá trình làm giàu. Plutoni mới được tách ra, được trộn với Urani, có thể dùng để sản xuất nhiên liệu oxit kết hợp (Mixed Oxide fuel – MOX).

8. Cất trữ chất thải hạt nhân

Chất thải hạt nhân là nhiên liệu đã qua sử dụng nhưng không được tái xử lý, hoặc là phần vô ích còn sót lại trong quá trình tái xử lý. Chúng được cất trữ an toàn trong các hầm chứa sâu dưới lòng đất. Thường các hầm này được đào sâu dưới các lớp đá cứng như granite, để giảm nguy cơ rò rỉ phóng xạ ra môi trường xung quanh.

Chất thải hạt nhân sẽ được đóng vào các thùng chứa đặc biệt, có tuổi thọ lâu dài.

Các khu cất trữ chất thải hạt nhân này có tuổi thọ lên tới hàng triệu năm, lâu hơn rất nhiều so với khoảng thời gian cần để giảm độ phóng xạ của chất thải xuống mức an toàn.

(Hầm cất trữ các thùng chất thải hạt nhân dưới lòng đất)

Ưu điểm của Chu trình nhiên liệu kín:

+ Bằng cách tái xử lý phần nhiên liệu có ích còn lại, chúng ta sẽ giảm đáng kể số lượng chất thải cần cất trữ lâu dài.

+ Càng sử dụng được nhiều Urani, lượng Urani cần khai thác để sản xuất cùng lượng điện sẽ càng ít.

+ Sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu giúp tăng thời gian chúng ta có thể sử dụng năng lượng hạt nhân lên tới hàng ngàn năm.

+ Chu trình nhiên liệu kín giúp tránh được việc cất trữ Plutoni lâu dài trên toàn thế giới.

Hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng, nghiên cứu và phát triển các loại lò mới như: lò tái sinh sử dụng neutron nhanh, lò Thori Florua lỏng… Các loại lò này có thể sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu tái chế.

Trong tương lai gần chúng ta có thể tái chế toàn bộ số nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên nhiều lần. Khi đó năng lượng hạt nhân sẽ trở nên “xanh” hơn rất nhiều so với hiện nay.

##Video tham khảo về chu trình nhiên liệu kín ở Nga với lò neutron nhanh BN-800 Beloyarsk.