Nhà máy điện hạt nhân được xem là một trong những giải pháp năng lượng hiện đại, có khả năng cung cấp nguồn điện ổn định, đồng thời góp phần giảm thiểu khí thải nhà kính. Với cơ chế vận hành đặc thù, loại hình nhà máy này luôn thu hút sự quan tâm của cộng đồng. Trong bài viết sau đây, hãy cùng Kim Trường Phúc tìm hiểu tổng quan về nhà máy điện hạt nhân, để hiểu rõ hơn vai trò và tiềm năng của nó trong tương lai nhé.

1. Nhà máy điện hạt nhân là gì?

Nhà máy điện hạt nhân, còn được gọi là nhà máy điện nguyên tử, là một cơ sở có nhiệm vụ sản xuất điện năng ở quy mô lớn thông qua việc khai thác năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân. Khác với các nhà máy nhiệt điện truyền thống sử dụng than, dầu hay khí đốt, nhà máy này tận dụng quá trình phân hủy hạt nhân để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng.


Nhà máy điện hạt nhân sản xuất điện năng
thông qua phản ứng phân hạch hạt nhân

Trong lõi lò phản ứng, quá trình phân hạch diễn ra với nguyên liệu chính là đồng vị Uranium-235. Khi các hạt nhân uranium bị neutron bắn phá, chúng phân tách ra thành các hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng nhiệt khổng lồ cùng với các neutron mới. Nhiệt lượng sinh ra từ phản ứng này được truyền qua hệ thống làm mát khép kín, nhằm đảm bảo an toàn và ngăn chặn tia phóng xạ rò rỉ ra môi trường bên ngoài.

Thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt, năng lượng nhiệt được sử dụng để đun sôi nước và tạo ra hơi nước có áp suất cao. Hơi nước này sau đó được dẫn vào các tuabin hơi, làm quay chúng và truyền động năng đến máy phát điện. Cuối cùng, máy phát điện chuyển hóa động năng cơ học thành điện năng, cung cấp cho lưới điện quốc gia.

2. Cấu tạo nhà máy điện hạt nhân

Một nhà máy điện hạt nhân thường được cấu thành từ bốn bộ phận chính:

Lò phản ứng hạt nhân (Reactor Core): Nơi diễn ra quá trình phân hạch, tạo ra nguồn nhiệt khổng lồ.
Máy phát điện hơi nước: Sử dụng nhiệt lượng từ phân hạch để đun sôi nước và tạo ra hơi áp suất cao.
Turbine: Hoạt động nhờ luồng hơi nước áp lực, làm quay trục và truyền động cho máy phát điện.
Bộ ngưng tụ (Condenser): Làm mát dòng hơi sau khi qua turbine, biến chúng trở lại thành nước để tái sử dụng trong chu trình.

Nhờ sự phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận này, nhà máy điện hạt nhân có thể sản xuất ra nguồn điện năng ổn định, liên tục và hiệu quả.


Nhà máy điện hạt nhân có cấu tạo gồm lò phản ứng, máy phát điện,
tuabin và bộ ngưng tụ

3. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân

Quá trình vận hành của nhà máy điện hạt nhân bao gồm nhiều bước phức tạp, từ phản ứng hạt nhân trong lò đến việc tạo ra hơi nước và phát điện. Dưới đây là các giai đoạn chi tiết trong quy trình hoạt động.

3.1. Lò phản ứng hạt nhân

Nguyên liệu phản ứng được nạp vào lò dưới dạng viên nhiên liệu hình trụ nhỏ. Mỗi viên chứa khoảng 3% Uranium-235, đủ để duy trì phản ứng dây chuyền có kiểm soát. Các viên nhiên liệu này được đặt trong thanh nhiên liệu, lắp đặt xen kẽ với các bộ điều hòa neutron.

Lớp vỏ bọc thanh nhiên liệu được chế tạo đặc biệt để đảm bảo kín khít, ngăn chặn các sản phẩm phân hạch phóng xạ tiếp xúc với chất tải nhiệt. Hệ thống bảo vệ này bao gồm nhiều lớp bảo vệ khác nhau, từ việc kiểm soát nhiệt độ, bức xạ neutron, đến việc sử dụng các bộ điều hòa neutron, nhằm giảm thiểu tối đa nguy cơ lan tràn phóng xạ ra môi trường. Hệ thống kiểm soát tự động cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn.

Lõi lò phản ứng sinh ra nhiệt năng dựa trên sự kết hợp của ba quá trình xảy ra đồng thời:

Động năng của các hạt nhân sản phẩm sau phân hạch được chuyển thành nhiệt năng khi chúng va chạm với các nguyên tử xung quanh.
Năng lượng từ tia gamma phát ra trong quá trình phân hạch bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt.
Nhiệt sinh ra từ sự phân rã phóng xạ của các sản phẩm phân hạch và các vật liệu đã hấp thụ neutron. Nguồn nhiệt phân rã này vẫn tồn tại một thời gian ngay cả sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động.

Toàn bộ hệ thống lò phản ứng được ngập trong nước để làm mát và tải nhiệt đi. Một số loại lò đặc biệt sử dụng kim loại lỏng hoặc muối nóng chảy thay cho nước. Ngoài chức năng làm mát, nước còn đóng vai trò điều hòa neutron bằng cách giảm tốc độ của chúng. Khi neutron có động năng quá cao, xác suất va chạm với hạt nhân uranium giảm, làm phản ứng hạt nhân chậm lại hoặc tắt dần.


Sơ đồ lò phản ứng hạt nhân

3.2. Quy trình tạo ra hơi nước

Trong nhà máy điện hạt nhân, lò hơi đóng vai trò tương tự như trong nhà máy nhiệt điện truyền thống, nhưng thay vì nhận nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, nó nhận nhiệt trực tiếp từ lõi phản ứng hạt nhân. Có hai loại lò phản ứng phổ biến: Lò phản ứng nước áp lực (PWR) và Lò phản ứng nước sôi (BWR), mỗi loại đều có đặc điểm và cơ chế hoạt động riêng để tối ưu hóa hiệu suất tạo hơi nước.

Lò phản ứng nước áp lực (PWR) hoạt động với hệ thống hai vòng tuần hoàn riêng biệt. Trong vòng tuần hoàn sơ cấp, nước nhẹ được bơm vào lõi lò dưới áp suất rất cao (khoảng 160 bar), hấp thụ nhiệt từ phản ứng hạt nhân. Nhiệt độ nước dao động từ 289°C đến 325°C nhưng không sôi do áp suất cao. Sau đó, nước nóng chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để truyền nhiệt cho vòng tuần hoàn thứ cấp.

Vòng tuần hoàn thứ cấp có áp suất thấp hơn (khoảng 60 bar), nước sôi ở nhiệt độ 275°C và tạo ra hơi nước bão hòa với độ khô 99,5%. Hơi nước này được dẫn trực tiếp vào tuabin để phát điện.

Lò phản ứng nước sôi (BWR) có cấu trúc đơn giản hơn với chỉ một vòng tuần hoàn duy nhất. Nước đã khử khoáng vừa làm mát lò phản ứng vừa điều khiển neutron. Nước được duy trì ở áp suất khoảng 76 bar và sôi ngay trong lõi phản ứng ở nhiệt độ 285°C.

Hơi nước sau khi sôi được sử dụng trực tiếp để quay tuabin, sau đó được ngưng tụ ở bình ngưng và quay trở lại lò phản ứng. Do nước tiếp xúc trực tiếp với lõi phản ứng, sau khi ngưng tụ nó phải được xử lý qua quá trình trao đổi ion để loại bỏ các chất phóng xạ, đảm bảo an toàn.

3.3. Tuabin hơi của nhà máy điện hạt nhân

Khác với nhà máy nhiệt điện truyền thống sử dụng hơi quá nhiệt, nhà máy điện hạt nhân không có nguồn khói nhiệt độ cao để quá nhiệt cho hơi nước. Do đó, hơi cấp cho tuabin là hơi bão hòa, điều này tạo ra một số đặc điểm riêng biệt:

Do thông số hơi mới thấp (chỉ đạt khoảng 70 bar), lưu lượng thể tích của dòng hơi đi vào tuabin lớn gấp 4-6 lần, còn hơi thoát ra lớn gấp khoảng 2 lần so với tuabin hơi quá nhiệt có cùng công suất.
Phần lớn quá trình giãn nở xảy ra trong vùng hơi ẩm, khiến cánh tuabin phải được thiết kế dài và có độ xoắn. Điều này có thể làm giảm hiệu suất so với tuabin sử dụng hơi quá nhiệt, nhưng việc tối ưu hóa thiết kế và sử dụng công nghệ tuabin hiện đại có thể giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của nhà máy điện hạt nhân.
Hơi thoát ra từ phần cao áp đã trở thành hơi bão hòa ẩm với độ ẩm khoảng 87-88%. Vì vậy, cần bổ sung bộ tách ẩm và bộ quá nhiệt trung gian sử dụng hơi nước trước khi dẫn vào phần thân hạ áp của tuabin.


Hình minh hoạ tuabin hơi của nhà máy điện hạt nhân

3.4. Thiết bị ngưng tụ hơi nước

Tương tự như trong nhà máy nhiệt điện thông thường, hơi nước sau khi rời khỏi tuabin được dẫn vào bình ngưng ở áp suất rất thấp. Tại đây, hơi nước được làm nguội bằng nước lạnh và chuyển trở lại trạng thái lỏng.

Kèm theo bình ngưng là hệ thống làm mát, có thể là tháp giải nhiệt hoặc hồ chứa nước. Hệ thống này đảm bảo cung cấp đủ nước làm mát cho quá trình ngưng tụ, duy trì hoạt động liên tục của nhà máy.

3.5. Hệ thống bơm nước tuần hoàn

Hệ thống bơm cấp nước và bơm tuần hoàn có vai trò cực kỳ quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân. Nhiệm vụ chính của nó là cấp nước liên tục để giải nhiệt và nhận nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân.

Trong trường hợp xảy ra sự cố với hệ thống này, việc thiếu nước cấp kịp thời sẽ khiến lõi phản ứng tăng nhiệt độ cực nhanh. Nhiệt độ quá cao có thể làm nóng chảy kim loại chế tạo lò phản ứng, dẫn đến sự cố hạt nhân nghiêm trọng với hậu quả khôn lường.

3.6. Lò phản ứng hạt nhân dùng nước siêu tới hạn

Để khắc phục hạn chế về hiệu suất thấp khi sử dụng hơi nước bão hòa, các nhà khoa học đang nghiên cứu, phát triển thiết kế lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ 4.: Lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR).

Mặc dù chi phí xây dựng và vận hành cao do hoạt động ở áp suất và nhiệt độ rất lớn, nước siêu tới hạn sở hữu khả năng truyền nhiệt vượt trội. Thông số hơi cao giúp nâng cao hiệu suất của chu trình, đạt mức tương đương với các nhà máy nhiệt điện sử dụng hơi quá nhiệt. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được triển khai thương mại rộng rãi. Đây là một triển vọng hứa hẹn cho ngành năng lượng hạt nhân trong tương lai.

4. Ưu điểm khi xây dựng nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân mang lại nhiều lợi ích đáng kể so với các hình thức sản xuất điện truyền thống. Dưới đây là những ưu điểm nổi bật:

Chi phí nhiên liệu thấp: Mức tiêu thụ nhiên liệu trong nhà máy này khá thấp, do đó chi phí để sản xuất một đơn vị năng lượng ít hơn đáng kể so với các phương pháp phát điện thông thường khác. Lượng nhiên liệu hạt nhân cần thiết cũng nhỏ hơn nhiều.
Tiết kiệm không gian: Một nhà máy điện hạt nhân chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với các nhà máy điện có cùng công suất, giúp tiết kiệm mặt bằng và dễ dàng bố trí trong các khu vực có diện tích hạn chế.
Linh hoạt về vị trí xây dựng: Loại nhà máy này không đòi hỏi lượng nước lớn như nhà máy thủy điện, do đó không nhất thiết phải xây dựng gần nguồn nước tự nhiên. Cũng không cần lượng lớn nhiên liệu vận chuyển liên tục như nhà máy than, nên có thể đặt rất gần trung tâm phụ tải, giảm tổn thất truyền tải.
Nguồn cung ổn định lâu dài: Trên toàn cầu có trữ lượng lớn nhiên liệu hạt nhân, đảm bảo các nhà máy loại này có thể cung cấp năng lượng điện liên tục cho hàng nghìn năm tới.
Thân thiện với môi trường: Thải ra rất ít hoặc không có khí nhà kính, không gây ô nhiễm môi trường bởi hạt bụi mịn. Không sử dụng nguồn nguyên liệu quý giá như hidrocacbon.
Hiệu suất năng lượng cao: Cung cấp năng lượng hiệu quả vì cùng một thể tích nhiên liệu, phản ứng hạt nhân sinh năng lượng lớn gấp nhiều lần so với dầu mỏ và khí đốt.
Lượng Uranium-235 sử dụng thấp: Mỗi viên nhiên liệu chỉ chứa khoảng 3% U-235, giúp tối ưu hóa việc khai thác nguồn tài nguyên.
Ít chất thải hơn: So với các nhà máy nhiệt điện đốt than hay dầu, lượng chất thải vật lý sinh ra ít hơn đáng kể.
Công nghệ tái sinh nhiên liệu: Thế hệ lò phản ứng mới giúp tái tạo nguồn nguyên liệu thông qua lò phản ứng tái sinh, sử dụng Uranium-238 (chiếm 99,3% Uranium tự nhiên), gia tăng khả năng khai thác nguồn tài nguyên.
Chi phí chấp nhận được: Khi áp dụng quy trình sản xuất đã được tiêu chuẩn hóa, chi phí vận hành trở nên hợp lý và có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác.


Nhà máy điện hạt nhân đem lại hiệu suất năng lượng cao,
giảm hiệu ứng nhà kính

5. Tác hại của nhà máy điện hạt nhân

Bên cạnh những ưu điểm, nhà máy điện hạt nhân cũng tồn tại một số nhược điểm và rủi ro cần được xem xét kỹ lưỡng như:

Vấn đề an toàn và chất thải phóng xạ: Đây là mối lo ngại lớn nhất của cộng đồng. Các sản phẩm phụ của quá trình phân hạch có tính phóng xạ cao, có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không được xử lý đúng cách. Hiện nay, các phương pháp xử lý chất thải hạt nhân bao gồm lưu trữ tại các cơ sở chứa đặc biệt, tái chế chất thải qua các lò phản ứng tái sinh, hoặc chôn sâu dưới lòng đất tại các khu vực được kiểm soát chặt chẽ. Việc thải chất thải ra biển không phải là phương án được chấp nhận và được xem xét nghiêm ngặt về mặt pháp lý và môi trường.
Nguy cơ tai nạn: Dễ xảy ra tai nạn trong quá trình sản xuất nếu không tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình an toàn.
Ảnh hưởng môi trường từ khai quật: Quá trình khai quật và tinh chế Uranium gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người do những chất thải độc hại sinh ra.
Chi phí xử lý chất thải: Vấn đề vận chuyển và xử lý chất thải hạt nhân cần được đầu tư nhiều nguồn lực và công nghệ chuyên dụng.
Tuổi thọ hạn chế: Tuổi thọ trung bình của lò phản ứng chỉ khoảng 60 năm.
Độ phức tạp cao: Việc lắp đặt và vận hành nhà máy phức tạp hơn rất nhiều so với các nhà máy điện thông thường khác.
Chi phí bảo trì cao: Nhân lực cần thiết để vận hành phải được đào tạo chuyên môn cao, dẫn đến chi phí nhân sự và bảo trì lớn.
Không linh hoạt với phụ tải: Các nhà máy hạt nhân không thể đáp ứng được sự dao động đột ngột của phụ tải điện.
Xử lý sản phẩm phụ khó khăn: Do các sản phẩm phụ có tính phóng xạ cao, việc xử lý chúng là vấn đề lớn. Chúng chỉ có thể được chôn sâu trong lòng đất hoặc thải ở vùng biển xa bờ.


Quá trình vận hành nhà máy điện hạt nhân dễ xảy ra tai nạn
nếu không tuân thủ quy định an toàn

6. Cách lựa chọn địa điểm xây nhà máy điện hạt nhân

Để xây dựng nhà máy điện hạt nhân, chúng ta cần xem xét nhiều yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành như:

Nguồn cung cấp nước: Mặc dù không cần lượng nước khổng lồ như nhà máy thủy điện, nhưng việc có đủ nguồn nước sạch cho mục đích làm mát là điều bắt buộc. Vì lý do này, các nhà máy thường được đặt gần sông hoặc ven biển.
Khả năng xử lý chất thải: Các sản phẩm phụ hoặc chất thải từ nhà máy có tính phóng xạ và cần được xử lý một cách an toàn. Do đó, việc lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy cần phải đảm bảo không chỉ có khả năng xử lý chất thải một cách hiệu quả mà còn phải đáp ứng các yếu tố môi trường nghiêm ngặt, như tránh khu vực dễ chịu tác động của thiên tai (động đất, sóng thần, lũ lụt). Đồng thời, việc lựa chọn khu vực không quá gần các khu dân cư giúp giảm thiểu rủi ro và tác động tiềm tàng tới sức khỏe cộng đồng.
Khoảng cách với khu dân cư: Do luôn tồn tại nguy cơ phóng xạ, việc đặt nhà máy cách xa các khu vực đông dân cư luôn được ưu tiên hàng đầu để giảm thiểu rủi ro cho cộng đồng.
Phương tiện giao thông: Trong giai đoạn xây dựng và vận hành, các thiết bị hạng nặng cần được lắp dựng và vận chuyển từ nơi sản xuất. Do đó, cần có hệ thống đường sắt và đường bộ tốt. Để đảm bảo có đủ nhân lực lành nghề, phương tiện giao thông công cộng thuận tiện cũng nên có sẵn tại khu vực xây dựng.
Địa chất ổn định: Khu vực xây dựng cần có nền địa chất vững chắc, tránh các vùng có hoạt động địa chấn mạnh hoặc nguy cơ động đất cao để đảm bảo an toàn cho công trình.
Điều kiện khí hậu: Cần tránh các khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai như bão, lũ lụt, sóng thần để giảm thiểu rủi ro vận hành.
Khoảng cách với trung tâm phụ tải: Mặc dù cần đặt xa khu dân cư, nhưng không nên quá xa trung tâm phụ tải để giảm tổn thất truyền tải điện năng.

Nhà máy điện hạt nhân đại diện cho một trong những công nghệ năng lượng tiên tiến nhất hiện nay, mang lại giải pháp sản xuất điện năng quy mô lớn với nhiều ưu điểm vượt trội. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn, các thách thức về an toàn, xử lý chất thải phóng xạ và chi phí đầu tư ban đầu cao vẫn là những vấn đề cần được giải quyết thận trọng. Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn tổng quan và chi tiết về cấu tạo, cơ chế vận hành cũng như những ưu nhược điểm của nhà máy điện hạt nhân. Nếu còn điều gì băn khoăn, bạn có thể liên hệ với Kim Trường Phúc để được hỗ trợ!