Những mẫu lò phản ứng hạt nhân phổ biến hiện nay

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng phổ biến 5 loại lò phản ứng công suất lớn và được chia thành 2 nhóm chính:

Lò phản ứng sử dụng neutron nhiệt:
Lò nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactor)
Lò nước sôi BWR (Boiling Water Reactor)
Lò nước nặng HWR (Heavy Water Reactor)
Lò làm mát bằng khí GCR (Gas Cooled Reactor)
Lò phản ứng sửa dụng neutron nhanh:
Lò neutron nhanh FBR (Fast Neutron Reactor)

Trên thực tế còn có nhiều tiêu chí phân loại: dựa theo số vòng tuần hoàn, kết cấu vật liệu trong lò, theo mục đích sử dụng,...

Theo thống kê số liệu năm 2015, số lò nước áp lực (PWR) chiếm khoảng 63% tổng số lò trên toàn thế giới, tiếp theo là lò nước sôi (BWR) với khoảng 18%. (www.euronuclear.org) 

Lò phản ứng nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactor) - mẫu lò phổ biến nhất, được cho là an toàn nhất với 2 vòng tuần hoàn

Đây là loại lò phổ biến nhất, với hơn 270 lò đang sử dụng. Lò PWR sử dụng hai vòng tuần hoàn nước. Ở Nga lò này được gọi là lò nước - nước VVER (Water-Water Power Reactor).

Mỗi lò PWR có khoảng 150–250 bó nhiên liệu, sắp xếp theo chiều dọc trong lò phản ứng (vùng hoạt), với 80-100 tấn uranium. Nước trong vòng tuần hoàn 1 (sơ cấp) được bơm luân chuyển qua lò phản ứng để chuyển tải ra lò hơi lượng nhiệt sinh ra trong lò.

Do nước trong vòng tuần hoàn 1 có nhiệt độ lớn nhất 320-325°C (lò VVER) nên phải được giữ ở áp suất cao 16Mpa - khoảng 157 lần áp suất khí quyển để giữ nước luôn ở trạng thái lỏng (ngăn chặn nước bị sôi).

Áp suất được duy trì ổn định bởi hơi nước trong bộ điều áp (xem sơ đồ). Sau đó nước nóng có áp suất cao này được truyền tải vào bộ sinh hơi (lò hơi), tại đây nước của vòng tuần hoàn 2 được biến thành hơi nước có nhiệt độ cao và áp suất cao làm quay rotor các tổ máy tuabin phát điện. Việc sử dụng hệ thống có hai vòng tuần hoàn để tăng tính an toàn và cô lập vùng phóng xạ (trong vòng tuần hoàn 1).

Lò phản ứng nước sôi BWR (Boiling Water Reactor) - 1 vòng tuần hoàn

Lò này có nhiều nhiều điểm tương đồng với lò PWR, ngoại trừ việc chỉ có một vòng tuần hoàn. Nước có vai trò làm chất sinh công (vai trò tương ứng với nước ở vòng tuần hoàn 2 lò PWR) ở áp suất 7,6 MPa (khoảng 75 lần áp suất khí quyển) và sôi ở nhiệt độ 285°C khi chảy qua vùng hoạt.

Trong lò phản ứng nước sôi (BWR), nước làm mát (đóng vai trò chất làm việc) được đun sôi trong quá trình chảy qua tâm lò. Hơi nước áp suất thấp được đưa thẳng đến tuabin, qua đó ngưng tụ lại thành nước và bơm trở lại vào lò phản ứng. Do loại lò này chỉ có một vòng tuần hoàn duy nhất nên không cần lắp bộ sinh hơi và một số thiết bị đắt tiền khác như trong lò PWR.

Lò phản ứng nước nặng HWR (Heavy Water Reactor) - 2 vòng tuần hoàn

Kiểu lò phản ứng này được phát triển từ những năm 1950 ở Canada, được gọi là lò CANDU (Canada Deuterium Uranium), từ những năm 1980 ở Ấn Độ. Với việc sử dụng nước nặng làm chất làm chậm trong lò phản ứng hạt nhân CANDU cho phép mở rộng vùng hoạt của lò, gia tăng lượng nhiên liệu hạt nhân dự trữ trong lò và đặc biệt là có thể sử dụng uranium tự nhiên (0,71% 235U) làm nhiên liệu. Những lò phản ứng kiểu khác chỉ có thể vận hành với nhiên liệu uranium đã làm giàu (235U chiếm từ 2-5% tùy lò).

Khác với hầu hết các lò phản ứng hạt nhân kiểu PWR có vỏ lò phản ứng, CANDU — là lò phản ứng dạng kênh. Điều này cho phép CANDU có thể thay thế nhiên liệu hạt nhân mà không làm ảnh hưởng tới hoạt động của lò. Chất tải nhiệt của CANDU có thể là nước thường hoặc nước nặng.

Heavy Water Reactor (HWR)

Trong một lò phản ứng nước nặng (HWR), nước nặng D2O ở áp suất cao vừa được sử dụng vừa để làm mát tâm lò trong vòng tuần hoàn sơ cấp vừa là chất làm chậm nơtron. Nhiên liệu bao gồm các viên UO2 tự nhiên (không làm giàu) được bọc bởi lớp zirconi (Zr) và được chứa trong ống áp lực, nước nặng làm mát đi thông qua đó. Các ống áp lực được thiết kế xuyên qua thùng lò chứa đầy chất làm chậm, cũng là nước nặng. Sau đó nước nặng trong vòng tuần hoàn sơ cấp được dẫn qua bộ sinh hơi để đun sôi nước nhẹ của vòng thứ cấp, tại đây, như trong lò PWR, nước của vòng thứ cấp được biến thành hơi nước có nhiệt độ cao và áp suất cao làm quay rotor các tổ máy tuabin phát điện.

Lò phản ứng làm mát bằng khí GCR (Gas Cooled Reactor) - 2 vòng tuần hoàn

Đối với kiểu lò này, cacbon dioxit và khí heli được dùng làm mát tâm lò bằng cách bơm qua các kênh trong chất làm chậm graphit rắn. Hiện nay, trong đa số các lò phản ứng khí làm mát tiên tiến, heli được sử dụng thay thế cho khí CO2 để tải nhiệt. Các thanh nhiên liệu được đặt trong những kênh làm mát khí này. Việc sử dụng graphit duy trì được ở trạng thái rắn đến nhiệt độ rất cao, đã loại bỏ được việc cần thiết lắp đặt thùng lò chịu áp suất cao để chứa tâm lò. Khí nóng thoát ra sau đó được chuyển đến máy phát điện hơi nước.

Gas Cooled Reactor (GCR)

Trong loại lò phản ứng khí nhiệt độ cao (HTGR: High–Temperature Gas Reactor), nhiên liệu được nạp vào trong các kênh nhiên liệu trong khối graphit hình lăng trụ. Chất làm mát là khí heli được dẫn qua các kênh khác khoan xuyên qua khối graphit hình lăng trụ đó. Khí heli nóng đi ra được chuyển tới máy phát điện hơi nước.

Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh FBR (Fast Neutron Reactor)

Trong kiểu lò này, các chuỗi phản ứng phân hạch được duy trì bởi các neutron nhanh, do đó không cần chất làm chậm. Đây là một lợi thế quan trọng của lò phản ứng neutron nhanh, vì lò phản ứng nhanh có lượng neutron dư thừa đáng kể, không giống như lò PWR.

Có rất nhiều loại lò phản ứng neutron nhanh , ví dụ như: lò phản ứng tái sinh nhanh kim loại lỏng LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactors), lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri SFR (Sodium-cooled Fast Reactor), lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì (Lead-cooled Fast Reactor),…

Lò phản ứng tái sinh nhanh kim loại lỏng LMFBR - Lò có 3 vòng tuần hoàn

Trong lò tái sinh nhanh kim loại lỏng, phản ứng phân hạch dây chuyền được duy trì bởi các neutron nhanh nên cũng không cần chất làm chậm. Chất tải nhiệt trong tâm lò được chọn là một loại kim loại lỏng như natri hay hỗn hợp của natri và kali. Kim loại lỏng có hệ số truyền nhiệt tốt và không yêu cầu áp suất cao để tránh hiện tượng sôi. Ưu điểm lớn nhất của lò phản ứng nhanh kim loại lỏng là nó có thể tạo ra một lò phản ứng hạt nhân tái sinh, tức là trong lò này số nhiên liệu hạt nhân được sản xuất ra nhiều hơn số nhiên liệu phân hạch bị tiêu thụ bởi phản ứng phân hạch dây chuyền.

## Ngoài lề: Trong lịch sử phát triển điện hạt nhân có 3 vụ nổ nhà máy điện hạt nhân của 3 cường quốc trong lĩnh vực này:

Three Mile Island 28/03/1979 - Mỹ - kiểu lò nước áp lực PWR - 2 vòng tuần hoàn.
Chernobyl 26/04/1986 - Ucraina - kiểu lò RBMK (Nga) | Lò nước sôi BWR - 1 vòng tuần hoàn.
Fukushima 11/03/2011 - Nhật - kiểu lò nước sôi BWR - 1 vòng tuần hoàn.