Bên trong lò phản ứng hạt nhân trên tàu sân bay USS Carl Vinson

.

Siêu tàu sân bay USS Carl Vinson của Hải quân Hoa Kỳ vừa thăm Việt Nam có kích thước khổng lồ: dài 332,8 m; rộng 76,8 m; khối lượng choán nước 101.300 tấn; tàu đạt tốc độ di chuyển tối đa hơn 30 hải lý (tương đương 56 km/h) và tầm hoạt động không giới hạn.

Đáng chú ý, “thành phố nổi” này được trang bị hai lò phản ứng hạt nhân Westinghouse A4W thế hệ bốn, cung cấp năng lượng giúp tàu có khả năng [trên lý thuyết] vận hành liên tục 20 – 25 năm mà không cần tiếp nhiên liệu.

Với tiềm lực tài chính và công nghệ hùng mạnh, Hải quân Hoa Kỳ thường trang bị lò phản ứng hạt nhân trên các tàu sân bay, tàu ngầm và tàu tuần dương của mình. Các thế hệ lò phản ứng được thiết kế bởi những phòng thí nghiệm năng lượng nguyên tử quốc gia – gồm có Bettis Atomic Power Laboratory ở West Mifflin (bang Pennsylvania) và Knolls Atomic Power Laboratory ở Niskayuna (New York), và được chế tạo bởi những nhà thầu tư nhân – đó là bốn Tập đoàn năng lượng Westinghouse, General Electric, Combustion Engineering và Bechtel.

A4W là viết tắt của: A = Tàu sân bay (Aircraft carrier); 4 = Thế hệ thiết kế lõi thế hệ thứ tư (4th generation); và W = Westinghouse (tên nhà thầu xây dựng), thuộc loại lò phản ứng hạt nhân phân hạch nước áp lực (nuclear fission pressurized water reactors – PWR) do Bettis và Knolls cùng thiết kế, và Westinghouse chế tạo.

Tàu sân bay USS Carl Vinson của Hải quân Hoa Kỳ.

Cấu tạo lõi lò phản ứng PWR

Bên trong lõi của một lò phản ứng nước áp lực điển hình (hay lò phản ứng nước sôi) là những thanh nhiên liệu hạt nhân (nuclear fuel rods) có đường kính tương đương cây bút mực lớn – tức 1 cm, dài khoảng 4 mét, hàng trăm thanh được bó lại thành “bó nhiên liệu” (fuel assemblies).

Trong mỗi thanh nhiên liệu là các viên uranium nhỏ, hay phổ biến hơn là o-xít uranium, xếp chồng lên nhau. Ngoài ra, không thể thiếu vai trò của những thanh điều khiển hạt nhân (control rods), chứa đầy [hợp chất] boron (Bo), hafnium (Hf), hay cadmium (Cd) để sẵn sàng “bắt giữ” lại các neutron.

Cấu tạo lõi lò phản ứng hạt nhân phân hạch áp lực nước PWR.
Nguồn: Free-stock-illustration

Khi những thanh điều khiển được hạ thấp xuống bên trong lõi, chúng sẽ hấp thụ các neutron để những hạt này không tham gia vào phản ứng dây chuyền. Ngược lại, khi thanh điều khiển được nâng lên cao, sẽ có thêm nhiều neutron tham gia bắn phá hạt nhân của các đồng vị uranium 235 (U-235) hay plutonium 239 (Pu-239) từ các thanh nhiên liệu nằm gần đó, khiến phản ứng dây chuyền trở nên mạnh mẽ hơn.

Lớp vỏ lõi (core shroud), cũng nằm bên trong lò phản ứng, sẽ dẫn nước để làm mát lõi sau phản ứng phân hạch. Lượng nhiệt sinh ra từ phản ứng sẽ bị nước lấy đi, đồng thời cũng là để giúp làm chậm tốc độ của các neutron. Một dạng nhiên liệu hạt nhân khác cũng có thể được sử dụng là đồng vị uranium 233 (U-233) sinh ra từ sự bắn phá của neutron đối với đồng vị thorium 232 (Th-232) thông thường.

Sơ đồ vận hành A4W

Bước 1: Các nguyên tử uranium phân hạch bên trong lõi lò phản ứng sinh ra nhiệt năng. Lượng nhiệt này sẽ được truyền vào hệ thống sơ cấp (primary system) dẫn nước tuần hoàn theo chu kỳ khép kín và được nén tới áp suất cao để ngăn không cho nước sôi.

Bước 2: Bên trong bình sinh hơi nước (steam generator), nhiệt năng từ hệ thống sơ cấp sẽ được truyền qua một hệ thống ống bọc thép không rỉ để tới khối nước bên trong hệ thống thứ cấp (secondary system) và cũng theo một vòng tuần hoàn khép kín.

Bước 3: Trong hệ thống thứ cấp, luồng hơi nước từ bình sinh hơi sẽ làm quay bốn turbine do hãng General Electrics sản xuất, là những cánh quạt lớn bằng đồng có chiều dài 25 feet (7,62 m), sinh ra năng lượng giúp vận hành hệ thống truyền động của động cơ đẩy và phát điện – cung cấp cho nhu cầu sử dụng trên tàu.

Sơ đồ vận hành lò phản ứng Westinghouse A4W trên tàu sân bay USS Carl Vinson.
Nguồn: Altrechon.com

Trong biên chế của Hải quân Hoa Kỳ, A4W chỉ được trang bị duy nhất trên các siêu tàu sân bay lớp Nimitz, với hai lò mỗi tàu và công suất nhiệt tối đa của mỗi lò là 550 MW. Lượng nhiệt này đủ để đun sôi, sinh ra hơi nước để làm quay tuabin, phát ra tối đa 100 MW điện, cùng với 280.000 mã lực (tương đương 280 MW) cho hệ thống truyền động của động cơ.

Theo thiết kế, lõi của lò phản ứng hạt nhân trên tàu sân bay lớp Nimitz có thể vận hành liên tục trong khoảng 20 – 25 năm, nhưng điều này còn tùy thuộc vào mức độ hoạt động của tàu, và độ chính xác trong dự đoán về hiệu suất của lò phản ứng. Trên thực tế, người Mỹ cũng đã cố gắng thực hiện nhiều nỗ lực nhằm kéo dài tuổi thọ hoạt động của các lò phản ứng trong Hải quân, lên mức 50 năm (đối với các tàu sân bay lớp Nimitz), và 40 năm (với các tàu ngầm lớp Ohio) – so với thiết kế ban đầu chỉ là 30 năm.

Trên thế hệ siêu tàu sân bay mới (lớp Gerald Rudolph Ford) hiện đang được phát triển và chiếc đầu tiên – mang tên vị cố tổng thống – đã được hạ thủy trong năm 2009, người Mỹ sẽ trang bị cho nó thế hệ lò phản ứng hạt nhân mới A1B (do Tập đoàn Bechtel sản xuất), cho hiệu suất cao hơn so với A4W (sinh ra năng lượng nhiều hơn 25%) và cũng đòi hỏi ít người vận hành, bảo trì hơn so với các tàu lớp Nimitz (chỉ cần 50% số người). Điều này cho phép kéo dài thời gian phục vụ của tàu sân bay lên đến 50 năm.

* TS Nguyễn Hào Quang, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam hiệu đính.
Nguồn: khoahocphattrien.vn