Ai phát minh lò phản ứng hạt nhân?

Từ lò phản ứng sản xuất đến lò phản ứng công suất thương mại

Dự án điện hạt nhân sớm nhất của Hoa Kỳ đã được bắt đầu vào năm 1946 tại Oak Ridge, nhưng chương trình này đã bị hủy bỏ vào năm 1948, với phần lớn nhân sự được chuyển sang chương trình lò phản ứng hải quân. Năm 1953, lò phản ứng nguyên mẫu đầu tiên được khởi động (dẫn đến việc phóng tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên vào năm sau, Nautilus), và cũng là vào năm 1953 Pres. Dwight D.Eisenhower đã công bố chương trình Atoms for Peace.

Nguyên tử cho Hòa bình thiết lập nền tảng cho một cường quốc hạt nhân chính thức của Hoa Kỳcũng như xúc tiến hợp tác quốc tế về điện hạt nhân. Chương trình điện hạt nhân của Hoa Kỳ được dành cho việc phát triển một số loại lò phản ứng. Ba trong số các loại này cuối cùng đã chứng tỏ thành công theo nghĩa chúng vẫn là loại lò phản ứng thương mại ngày nay hoặc như các hệ thống được lên kế hoạch sử dụng thương mại trong tương lai. Đây là lò phản ứng giống nhanh (bây giờ được gọi là lò phản ứng kim loại lỏng, hoặc LMR), lò phản ứng có nước áp(PWR) và lò phản ứng nước sôi (BWR).

LMR đầu tiên là Lò phản ứng Người chăn nuôi thử nghiệm, EBR-I, được thiết kế tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và được xây dựng tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho hiện nay là Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho gần thác Idaho, Idaho. EBR-I là một thử nghiệm ban đầu để chứng minh sự lai tạo, và vào năm 1951, nó đã sản xuất ra dòng điện đầu tiên từ nhiệt hạt nhân. Một nhà lai tạo thử nghiệm lớn hơn nhiều,EBR-II, được phát triển và đưa vào sử dụng (cùng với việc phát điện) vào năm 1963.

Nguyên lý của BWR lần đầu tiên được chứng minh trong một lò phản ứng nghiên cứu ở Oak Ridge, nhưng việc phát triển loại lò phản ứng này cũng được giao cho Argonne, công ty đã xây dựng một loạt các hệ thống thí nghiệm được chỉ định BORAX ở Idaho. Năm 1955, một trong số những lò này, BORAX-III, trở thành lò phản ứng đầu tiên của Hoa Kỳ đưa năng lượng vào một dây chuyền tiện ích trên cơ sở liên tục. Một nguyên mẫu thực sự, Lò phản ứng nước sôi thử nghiệm, được đưa vào vận hành vào năm 1957. Trong khi đó, nguyên tắc của PWR đã được chứng minh trong các lò phản ứng hải quân, vàPhòng thí nghiệm năng lượng nguyên tử Bettis của chương trình lò phản ứng hải quân được chỉ định xây dựng một nguyên mẫu dân sự tại cảng hàng hải, Pennsylvania. Lò phản ứng này, là lò phản ứng lớn nhất trong số các nguyên mẫu lò phản ứng điện , được đưa lên mạng vào năm 1957; nó thường được ca ngợi là lò phản ứng quy mô thương mại đầu tiên ở Hoa Kỳ.

Năm 1949, Những nỗ lực hạt nhân của Liên Xô đã đạt được kết quả với vụ thử bom nguyên tử đầu tiên . Một thập kỷ sau, Liên Xô đưa tàu mặt nước chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên của họ, tàu phá băng Lenin, vào hoạt động cùng với việc Hoa Kỳ hạ thủy tàu chiến mặt nước chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên, tàu tuần dương Long Beach.

Sau khi thiết lập sự hiện diện của mình giữa các cường quốc hạt nhân, Liên Xô đã hướng tới những nỗ lực đáng kể đối với việc sử dụng năng lượng hạt nhân để tạo ra năng lượng điện thông qua một chu trình hơi nước tiêu chuẩn. Năm 1954, một lò phản ứng sản xuất plutonium được kiểm duyệt bằng than chì đã được sửa đổi ở Obninsk, Nga, để tạo ra máy phát điện chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên trên thế giới.

Vào giữa những năm 1960, Liên Xô đã đưa vào sử dụng hai chiếc BWR 100 megawatt đã được kiểm duyệt bằng than chì. Ngay sau đó, các lò phản ứng bắt đầu được xây dựng trên khắp Liên bang Xô Viết, xếp hạng công suất danh nghĩa tăng đều đặn. Năm 1973, thiết bị Reaktor công suất 1.000 megawatt đầu tiên Bolshoy Moshchnosti Kanalny (RBMK; “lò phản ứng kênh công suất cao”) đã đi vào hoạt động nghiêm trọng.

RBMK là một thiết kế nước có áp suất khác thường, ban đầu được dự định để sản xuất plutonium cũng như tạo ra điện, trong đó lõi được kiểm duyệt bằng than chì. Ngành công nghiệp điện hạt nhân của Liên Xô cũng đã xây dựng một thiết kế PWR thông thường hơn, Vodo-Vodyanoy Energetichesky Reaktor (VVER; “lò phản ứng điện điều tiết bằng nước làm mát bằng nước”), giống như thiết kế PWR của Hoa Kỳ, được phát triển từ công việc ban đầu được thực hiện trên các nhà máy điện hải quân .

Trong nước Anh, GLEEP được tiếp nối vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 bằng việc xây dựng các lò phản ứng Windscale số 1 và số 2 được làm mát bằng không khí, sản xuất plutonium cho chương trình vũ khí hạt nhân sơ khai của Anh. (Vụ thử bom nguyên tử đầu tiên của Anh diễn ra vào năm 1952.) Qua sông Calder từ Windscale, một lò phản ứng mới, calder Hall A, đã làm nên lịch sử vào năm 1956 bằng cách sản xuất thế hệ phát điện đầu tiên trên thế giới ở quy mô thương mại (đồng thời sản xuất plutonium cho vũ khí).

Các lò phản ứng Calder Hall được làm mát bằng khí carbon dioxide nén và sử dụng nhiên liệu kim loại uranium tự nhiên được bọc trong một lớp phủ magie mới . Do có lớp bọc, các lò phản ứng kiểu Calder Hall còn được gọi là lò phản ứng Magnox. Tiếp tục từ công nghệ này, Anh tiếp tục phát triển Lò phản ứng làm mát bằng khí tiên tiến (AGR), sử dụng nhiên liệu làm giàu uranium dioxide, do đó cho phép nhiệt độ phản ứng cao hơn và phát điện hiệu quả hơn. AGR nguyên mẫu được chế tạo tại Windscale và trở nên quan trọng vào năm 1963. Các AGR thương mại được chế tạo ở Vương quốc Anh trong suốt những năm 1980.

Pháp theo một mô hình đã được sửa đổi của Anh với các lò phản ứng làm mát bằng khí, được điều chế bằng than chì G1, G2 và G3, lần đầu tiên hoạt động nghiêm trọng tại Marcoule, trên sông Rhone ở miền nam nước Pháp, vào năm 1956–59. Các lò phản ứng này cung cấp năng lượng cho máy phát điện đồng thời sản xuất plutonium cho chương trình vũ khí hạt nhân của Pháp. (Vụ thử bom nguyên tử đầu tiên của Pháp diễn ra vào năm 1960.) Tuy nhiên, sau khi ban đầu tập trung vào các lò phản ứng khí, Pháp đã chuyển sang phát triển các lò phản ứng nước nhẹ. Cuối cùng, các nhà máy điện hạt nhân thương mại của Pháp đã được tiêu chuẩn hóa trên ba thiết kế PWR cơ bản.

Canada nắm giữ nguồn dự trữ quặng uranium dồi dào cũng như khả năng sản xuất hàng loạt nước nặng đã được thiết lập thông qua thiết kế lò phản ứng Canada Deuterium Uranium (CANDU), hoạt động dựa trên uranium tự nhiên hoặc được làm giàu rất nhẹ được điều tiết bằng nước nặng (deuterium oxide). Lò phản ứng CANDU đầu tiên – sản xuất khoảng 20 megawatt điện – đã trở nên quan trọng vào năm 1962 tại Rolphton, Ontario, trên sông Ottawa. Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên của Canada, đặt tại Pickering, Ontario, trên bờ hồ Ontario, đi vào hoạt động năm 1971. Đến cuối thế kỷ này, hơn 20 lò phản ứng CANDU đã được xây dựng ở Canada, và nhiều lò phản ứng khác đã được xây dựng ở nước ngoài.

Cho đến những năm 1970, tất cả các nhà máy điện hạt nhân quy mô thương mại đều sử dụng neutron nhiệt làm cơ chế chính để phân hạch. (Để giải thích về năng lượng của nơtron, xem ở trên Các nowtron nhiệt, trung gian và nhanh. Tuy nhiên, vào năm 1973, Liên Xôđã trình diễn lò phản ứng neutron nhanh thương mại đầu tiên, được xây dựng trên bờ biển caspi gần khu vực ngày nay là Aqtau, Kazakhstan. Lò phản ứng, ngoài việc cung cấp năng lượng nhiệt cho nhà máy điện 120 megawatt, còn sử dụng nhiệt của nó để khử muối nước từ Caspi – một khái niệm mới để sử dụng thay thế năng lượng hạt nhân sau đó đã được áp dụng ở các khu vực khác trên thế giới. Một số nguyên mẫu lò phản ứng neutron nhanh trước đây đã được phát triển ở Hoa Kỳ, Vương quốc Anh và các nơi khác ở Liên Xô; tuy nhiên, chưa có quốc gia nào mở rộng công nghệ này lên mức hữu ích về mặt kinh tế.