Bài giảng Nhà máy điện nguyên tử

1NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ TS. Huỳnh Châu Duy Bộ môn Hệ Thống Điện Trường ĐH Bách Khoa TP. HCM 01/2011 2 THÔNG TIN CÁN BỘ GIẢNG DẠY • Họ và tên : TS. Huỳnh Châu Duy • Điện thoại : 0938 707 507 • Email : huynhchauduy@hcmut.edu.vn huynhchauduy@ieee.org • Phòng làm việc: PTN HTĐ – 102 B1 • Phương thức giảng dạy: o Lý thuyết o Bài tập + Tiểu luận Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 23 HÌNH THỨC KIỂM TRA CUỐI MÔN HỌC Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 4 NỘI DUNG MÔN HỌC • Giới thiệu chung • Lò phản ứng hạt nhân • Nhà máy điện nguyên tử • Nhiên liệu hạt nhân • Chất thải hạt nhân • An toàn trong nhà máy điện nguyên tử • Các chuyên đề Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nhà máy điện nguyên tử, Nguyễn Lân Tráng, Đỗ Anh Tuấn, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Nuclear energy – An introduction to the concepts, systems, and applications of nuclear processes, Raymond L. Murray. [3] Nuclear power, IET Power and Energy Series 52. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ: Chương 1-Giới thiệu chung TS. Huỳnh Châu Duy Bộ môn Hệ Thống Điện Trường ĐH Bách Khoa TP. HCM 47 1. TỔNG QUAN • Nhà máy điện nguyên tử (nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài người. Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Giải quyết bài toán mất cân bằng Sự hạn chế của các nguồn năng lượng sơ cấp. ≠ Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 8 1. TỔNG QUAN • Trên thế giới đang có khoảng 447 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động. • Cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới và sẽ tiếp tục tăng do sự cạn kiệt của các dạng năng lượng truyền thống (Thủy năng, than, dầu, khí, . . .) • Yêu cầu về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng caoÆ trình độ công nghệ của điện nguyên tử cũng được nâng caoÆ an toàn hơn, tin cậy hơn. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 59 • Dự báo tốc độ gia tăng nhanh nhất về phát điện hạt nhân sẽ là ở các nước đang phát triển, với tốc độ trung bình 4,7 % trong suốt thời kỳ dự báo. Đặc biệt là các nước đang phát triển Châu Á, số lò phản ứng đang xây dựng chiếm đến một nữa số lò phản ứng đang xây dựng trên toàn thế giới. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 10 2. TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ CỦA MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI * MỸ: -Mỹ có 103 lò phản ứng với tổng công suất là 101.000 MW, chiếm vị trí thứ nhất trên thế giới. - Cơ cấu nguồn điện (Năm 2000): * Điện than : 52 % * Điện nguyên tử : 20 % * Điện khí : 16 % * Thủy điện : 7 % Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 611 -Các quy chế an toàn lò phản ứng ở Mỹ ngày càng được nâng cao Tính kinh tế của nhà máy điện nguyên tử giảm nên từ sau năm 1974 không có nhà máy mới nào được xây dựng. -Theo chính sách năng lượng quốc gia của Mỹ, trong thời gian tới, có khả năng các nhà máy điện nguyên tử mới sẽ được xây dựng. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 12 * PHÁP: -Pháp hiện có 58 lò phản ứng, phát điện với tổng công suất là 63.000 MW, chiếm vị trí thứ hai trên thế giới sau Mỹ. -Điện nguyên tử chiếm 76% trong tổng điện năng của cả nước và đây là tỷ lệ cao nhất trên thế giới. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 713 * NHẬT: -Tại thời điểm năm 2000, Nhật có 51 lò phản ứng, công suất là 45.000 MW, trở thành nước sử dụng điện nguyên tử thứ 3 trên thế giới sau Mỹ và Pháp. -Nhật là nước nghèo tài nguyên năng lượng. Vì vậy, để đảm bảo ổn định năng lượng, Nhật đã tăng cường phát triển năng lượng nguyên tử với tiêu chí nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Uranium (U) và kiên trì chính sách xử lý nhiên liệu để có thể sử dụng được Plutonium (Pu). Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 14 * ĐỨC: -Đức có 19 lò phản ứng với tổng công suất 22.000 MW. -Cơ cấu nguồn điện của Đức (Năm 2000): * Điện nguyên tử: 33 % * Điện than: 24 % * Điện than nâu: 27 % * Điện khí: 7 % * Điện gió: 2 % Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 815 -Tuy nhiên, chính phủ Đức đang tuyên bố thực hiện chính sách không xây dựng mới nhà máy điện nguyên tử và dự kiến đến năm 2022 nhà máy điện nguyên tử cuối cùng sẽ ngừng hoạt động. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 16 * NGA: -Cuối năm 2001, Nga có 30 tổ máy điện nguyên tử, với tổng công suất 21.000 MW, đứng vị trí thứ 5 trên thế giới. Nga đang xây dựng 2 tổ máy với tổng công suất 1.875 MW. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 917 * NGA: -Lịch sử phát triển điện nguyên tử ở Nga bắt đầu từ việc vận hành nhà máy điện nguyên tử đầu tiên trên thế giới ở Obninks vào năm 1954. -Do tai nạn lò phản ứng Chernobyl xảy ra vào năm 1986 và những khó khăn về kinh tế do sự sụp đổ của Liên Xô cũ năm 1991, Nga đã không có những tiến triển mạnh mẽ trong ngành năng lượng nguyên tử như trước kia. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 18 * ANH: -Đến cuối năm 2000, Anh có 33 lò phản ứng nguyên tử với tổng công suất 13.000 MW. Tỷ lệ phát điện bằng năng lượng nguyên tử là 22 %. -Anh là nước bắt đầu phát triển các nhà máy điện nguyên tử thương mại sớm nhất trên thế giới. -Tuy nhiên, hiện nay trong kế hoạch không có nhà máy điện nguyên tử nào đang được xây dựng. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 10 19 * TRUNG QUỐC: -Hiện tại, Trung Quốc có 8 lò phản ứng phát điện với tổng công suất 5.977 MW. -Hiện nay, Trung Quốc đang đặt trọng điểm vào khai thác thủy điện nên tốc độ phát triển điện nguyên tử đang bị chậm đi. Tuy nhiên, nguồn Uranium của Trung Quốc là khá phong phú, khoảng 70 nghìn tấn. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 20 • Ở Việt Nam, tình trạng thiếu hụt năng lượng điện cũng đang là một bài toán nan giải và cần được giải quyết. 3. TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ CỦA VIỆT NAM Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 11 21 • Ngày 25/11/2009, Quốc hội đã thông qua Nghị quyết số 41/2009/QH12 về chủ trương đầu tư dự án Nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận với tổng công suất thiết kế 4.000 MW, bao gồm 2 nhà máy: -Ninh Thuận 1 -Ninh Thuận 2 Trong mỗi nhà máy sẽ có 2 tổ máy (mỗi tổ máy có công suất khoảng 1.000 MW). Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 22 • Tổng mức đầu tư của dự án khoảng 200.000 tỷ đồng (tại thời điểm lập dự án, quý 4/2009). Theo lộ trình, nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 1 sẽ được khởi công vào năm 2014 và đưa tổ máy đầu tiên vào vận hành năm 2020. Nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 2 sẽ được Quốc hội quyết định thời điểm xây dựng tùy theo tình hình chuẩn bị. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 12 23 • Ngày 27/05/2010, tại hội thảo công nghệ điện nguyên tử lần thứ IV, PGS. TS. Vương Hữu Tấn, Viện Trưởng Viện Năng Lượng Nguyên Tử cho biết: Sau một thời gian dài nghiên cứu, khảo sát, Chính phủ đã chọn Nga làm đối tác cung cấp công nghệ cho nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 1, tại tỉnh Ninh Thuận. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 24 • Việc chọn Nga làm đối tác cung cấp điện nguyên tử là vì: Hiện nay, công nghệ điện nguyên tử lò nước nhẹ của Nga được coi là công nghệ nguồn, được cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA – International Atomic Energy Agency) đánh giá và đảm bảo độ an toàn cao. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 13 25 • Công nghệ điện nguyên tử lò nước nhẹ là loại công nghệ vận hành rất an toàn trong khoảng một thế kỷ qua. • Nga cũng cam kết giúp Việt Nam xử lý toàn bộ chất thải hạt nhân, với mức công suất là 2.000 MW (áp dụng cho Ninh Thuận 1). Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 26 • Thủ tướng vừa phê duyệt định hướng phát triển điện nguyên tử cho Việt Nam giai đoạn đến năm 2030, với mục tiêu tổng quát là: Từng bước xây dựng và phát triển ngành công nghiệp điện nguyên tử Việt Nam Đảm bảo quản lý an toàn và khai thác hiệu quả các nhà máy điện nguyên tử, Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 14 27 Từng bước tăng dần tỷ lệ tham gia của các ngành công nghiệp trong nước vào thực hiện các dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử Tiến đến tự chủ về: -thiết kế, -chế tạo, -xây dựng, -lắp đặt, -vận hành, -bảo dưỡng, các nhà máy điện nguyên tử. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 28 • Theo quy hoạch, dự án phát triển điện nguyên tử Việt Nam được chia thành 3 giai đoạn: -Giai đoạn 1 đến năm 2015. -Giai đoạn 2 đến năm 2020. -Giai đoạn 3 đến năm 2030. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 15 29 • Giai đoạn 1 đến năm 2015: -Hoàn thành phê duyệt dự án đầu tư. -Phê duyệt địa điểm. -Tổ chức lựa chọn nhà thầu. -Chuẩn bị đội ngũ quản lý dự án và các chuyên gia kỹ thuật nồng cốt đáp ứng nhiệm vụ khởi công xây dựng nhà máy điện nguyên tử đầu tiên. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 30 • Giai đoạn 2 đến năm 2020: -Hoàn thành việc xây dựng và đưa tổ máy đầu tiên của nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 1 vào vận hành, phát điện thương mại vào năm 2020 Đưa tổ máy 2 vào vận hành vào năm 2021. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 16 31 -Khởi công xây dựng nhà máy điện nguyên tử Ninh Thuận 2 Tiến hành công tác chuẩn bị xây dựng các nhà máy điện nguyên tử tiếp theo. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 32 • Giai đoạn 3 đến năm 2030: -Triển khai xây dựng các nhà máy điện nguyên tử tiếp theo, Đưa điện nguyên tử trở thành nguồn điện chủ lực của Việt Nam. -Đặt mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế nhà máy điện nguyên tử, Có khả năng tham gia thiết kế cùng với các đối tác nước ngoài. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 17 33 -Các ngành công nghiệp trong nước tham gia vào các công trình nhà máy điện nguyên tử, chiếm khoảng 30 – 40% tổng giá trị hợp đồng xây lắp. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 34 • Tóm lại: -Đến năm 2020, tổ máy điện nguyên tử đầu tiên của Việt Nam sẽ đi vào vận hành với công suất khoảng 1.000 MW. -Đến năm 2025, tổng công suất các nhà máy điện nguyên tử sẽ vào khoảng 8.000 MW. -Đến năm 2030, tổng công suất các nhà máy điện nguyên tử sẽ tăng lên khoảng 15.000 MW (chiếm khoảng 10% tổng công suất các nguồn điện). Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 18 35 Quy mô công suất và tiến độ các tổ máy điện nguyên tử ở Việt Nam (Nguồn: theo quyết định số 966/QĐ-TTG) 20221.000Nhà máy điện nguyên tử Vĩnh Hải, tổ máy số 2 4 20211.000Nhà máy điện nguyên tử Vĩnh Hải, tổ máy số 1 3 20211.000Nhà máy điện nguyên tử Phước Dinh, tổ máy số 2 2 20201.000Nhà máy điện nguyên tử Phước Dinh, tổ máy số 1 1 Năm vận hànhCông suất (MW)Nhà máySTT Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 36 20251.000Nhà máy điện nguyên tử Vĩnh Hải, tổ máy số 4 8 20241.000Nhà máy điện nguyên tử Vĩnh Hải, tổ máy số 3 7 20241.000Nhà máy điện nguyên tử Phước Dinh, tổ máy số 4 6 20231.000Nhà máy điện nguyên tử Phước Dinh, tổ máy số 3 5 Năm vận hànhCông suất (MW)Nhà máySTT Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 19 37 15.000 – 16.000Tổng công suất 20301.300 – 1.500Nhà máy điện nguyên tử khu vực miền Trung 6 13 20291.300 – 1.500Nhà máy điện nguyên tử khu vực miền Trung 5 12 20281.300 – 1.500Nhà máy điện nguyên tử khu vực miền Trung 4 11 20271.300 – 1.500Nhà máy điện nguyên tử khu vực miền Trung 3 10 20262 x 1.000Nhà máy điện nguyên tử khu vực miền Trung 1 & 2 9 Năm vận hànhCông suất (MW)Nhà máySTT Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 38 4. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ 1895: -Rơn ghen phát hiện ra tia X. -Ngành vật lý nguyên tử phát triển. 1904: Joseph John Thomson (1856-1940), nhà vật lý người Anh, đã đưa ra mẫu nguyên tử đầu tiên. Nguyên tử là một quả cầu tích điện dương có kích cỡ 10-8cm với các electron bay lơ lững trong đó và khi electron dao động thì phát bức xạ điện từ vào không gian. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 20 39 1909: Mẫu nguyên tử của Thomson gặp phải các mâu thuẩn với các kết quả thực nghiệm nghiên cứu tán xạ của các hạt α trên các lá kim loại mỏng. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 40 Người ta phát hiện ra rằng bên cạnh sự tán xạ ở các góc nhỏ phù hợp với các tính toán về tương tác Culong của các hạt α với nguyên tử kiểu như tán xạ Thomson thì trong một số trường hợp các hạt α còn bị lệch các góc rất lớn (lớn hơn 900). • Hạt α ? Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 21 41 Hạt α: (tia alpha) là một dạng của phóng xạ. Đó là hạt bị ion hóa cao và khó có khả năng đâm xuyên. Hạt alpha gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau thành một hạt giống hệt hạt nhân nguyên tử Hellium. Do đó, hạt alpha có thể được viết là He2+. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 42 * Hạt alpha xuất hiện trong phân rã của hạt nhân phóng xạ như là uranium hoặc radium trong một quá trình gọi là phân rã alpha. Phản ứng phân rã Đôi khi sự phân rã làm hạt nhân ở trạng thái kích thích khởi động phân rã gamma để giải thoát năng lượng. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 22 43 1911: Arnest Rutherford (1871-1937), nhà bác học người Anh đã đưa ra một mẫu nguyên tử mới mà có thể giải thích được các kết quả thí nghiệm khi nghiên cứu tán xạ của các hạt α. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 44 • Nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương +Ze ở tâm, Nhân này có bán kính rất nhỏ (cỡ 10-12cm) và các điện tử chuyển động theo các quỹ đạo nào đó quanh hạt nhân ở các khoảng cách tương đối lớn (cỡ 10-8 cm). Tuy nhiên, mẫu nguyên tử này không giải thích được bức xạ điện từ của nguyên tử và tính bền vững của nguyên tử Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 23 45 1913: Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch đã đưa ra lý thuyết lượng tử về các quá trình xảy ra trong nguyên tử. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 46 -Bohr vẫn giữ lại hạt nhân của Rutherford và cho các điện tử quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo tròn với các điều kiện sau: -Điện tử trong nguyên tử chỉ có thể ở trong một số quỹ đạo dừng xác định và ổn định và ở đó điện tử không bức xạ. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 24 47 -Điện tử chỉ bức xạ hay hấp thụ khi chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác. -Trong tất cả các quỹ đạo khả dĩ của điện tử quanh hạt nhân, chỉ tồn tại những quỹ đạo nào mà moment động lượng của điện tử bằng một số nguyên lần. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 48 1905-1916: Alber Einstein (1879-1955), nhà bác học vĩ đại người Đức đã đưa ra: Lý thuyết tương đối và cùng với lý thuyết cơ học lượng tử mà là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết các hạt cơ bản. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 25 49 27-06-1954: Khánh thành nhà máy điện nguyên tử đầu tiên trên thế giới, công suất 5 MW ở Obninck, Liên Xô cũ. Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung 50 HẾT CHƯƠNG 1 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 1 - Giới thiệu chung