Tìm hiểu về năng lượng hạt nhân

Tuy nhiên do giá thành cao và cần một diện tích lớn nên các dạng năng lượng này chỉ cung cấp được 10% trong tổng số năng lượng cần thiết.Chính vì vậy, năng lượng mà nhân loại có thể sử d

I/ Tại sao phải sử dụng năng lượng hạt nhân?

Ngày nay năng lượng hóa thạch càng ngày càng cạn kiệt dần do đó cần phải có một nguồn năng lượng mới để thay thế nó Dạng năng lượng thay thế cho nhiên liệu hoá thạch

là năng lượng mặt trời và năng lượng từ sức gió Các dạng năng lượng mới này cần phải phát triển, khai thác để sử dụng Tuy nhiên do giá thành cao và cần một diện tích lớn nên các dạng năng lượng này chỉ cung cấp được 10% trong tổng số năng lượng cần thiết.Chính vì vậy, năng lượng mà nhân loại có thể sử dụng lâu dài trong thời gian tới phải dựa vào năng lượng nguyên tử Mặc khác năng lượng nguyên tử

có một số ưu điểm so với các nguồn năng lượng khác là:

* Đặc trưng thứ nhất của năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng sạch,

không phát thải CO2, SOx, NOx gây ô nhiễm không khí

*Hơn nữa, vì Uranium có thể phát điện chỉ với một lượng rất nhỏ so với dầu nên có

ưu điểm là dễ vận chuyển và bảo quản Ví dụ, để vận hành nhà máy điện công suất

1000 MW trong vòng một năm thì phải cần tới hơn một triệu tấn dầu, trong khi đó đối với nhiên liệu Uranium thì chỉ cần vài chục tấn.

*Trong các nhà máy điện nguyên tử, khi nạp nhiên liệu vào lò phản ứng là có thể liên tục phát điện trong vòng 1 năm mà không cần phải thay thế nhiên liệu

*Lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong nhà máy điện nguyên tử rất ít so với

lượng chất thải công nghiệp thông thường, do vậy có thể quản lý được một cách chặt chẽ, cất giữ và bảo quản an toàn.

*Chi phí xây dựng cho nhà máy điện nguyên tử so với nhà máy nhiệt điện tương đối cao *Nhà máy điện nguyên tử được lựa chọn phương án thiết kế an toàn tối ưu Nó được thiết kế để sao cho dù có phát sinh tai nạn thế nào chăng nữa cũng không gây

thiệt hại, tổn thất cho tất cả cư dân sống xung quanh Có thể nói rằng một nửa nhà máy điện nguyên tử là các thiết bị an toàn Do đó, chi phí cao cho các thiết bị đó là đương nhiên Hơn nữa, trong quá trình xây dựng, người ta tiến hành kiểm tra gắt gao ở từng công đoạn để đảm bảo an toàn nên thời gian xây dựng cũng khá dài

Quy trình sản xuất năng lượng hạt nhân từ uranium

II/ Nhà máy điện hạt nhân là gì?

- Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân tức là chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng

- Trong lò phản ứng nguyên tử phân hủy hạt nhân với

nguyên liệu ban đầu là đồng vị uran 235 và sản phẩm

thu được sau phản ứng thường là các neutron và năng lượng nhiệt rất lớn Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mát khép kín (để tránh tia phóng xà rò rỉ ra ngoài) qua các máy trao đổi nhiệt, đun sôi nước, tạo ra hơi nước ở

áp suất cao làm quay các turbien hơi nước, và do đó

quay máy phát điện, sinh ra điện năng

1.Nguyên nhiên liệu

khoảng 7 gam Các viên này được xếp lần lượt vào ống kim loại dài khoảng 4 m bịt kín 2 đầu để tạo thành các thanh nhiên liệu Mỗi nhà máy điện hạt nhân cần hơn 40.000 thanh nhiên liệu Cứ 264 thanh

được kết lại thành những bó hình vuông gọi là bó thanh nhiên liệu Một lò phản ứng hạt nhân 900 MW cần khoảng 157 bó thanh nhiên liệu (chứa khoảng 11 triệu viên) Các bó này được sắp xếp thành tâm

lò phản ứng Các thanh phải nằm trong lò khoảng 3-4 năm để thực

hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi lượng nước rất lớn Nguồn nước bốc hơi từ đây sẽ tạo ra nguồn năng lượng làm quay hệ thống tua bin để phát điện

Uran ở trạng thái tự nhiên bao gồm 3 đồng vị: Đó là Uran

238 Dạng này chứa 99,28 % tổng số khối

lượng, Uran 235 chiếm 0,71% và một lượng không đáng kể khoảng 0,006% Uran 234 Vì vậy nó có

thể được xem là cả nguyên tố phân rã (vì hàm lượng Uran 235) và nguyên tố kết hợp (vì hàm lượng

Uran 238) Uran chủ yếu được tách ra từ Pitchblen Uranite autunait, Brannerite hoặc Torbernite Nó

cũng có thể thu được từ nguồn thứ cấp khác chẳng hạn từ cặn bã trong quá trình sản xuất

Supephosphat hoặc cặn trong mỏ vàng Quy trình thông

thường là khử Tetrafluorit bằng canxi hoặc

magie hoặc bởi điện phận.Uran là nguyên tố phóng xạ yếu,rất nặng (tỷ trọng 19) và cứng, bề mặt

màu xám bạc bóng nhẵn, nhưng bị xỉn đi khi để tiếp xúc vớiOxy của không khí thành dạng bột nó bị oxy hóa và bị đốtcháy nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí.Uran ở thị

trường có dạng thỏi để sẵn được đánh bóng, gọt dũa, cánmỏng (để tạo ra thanh, ống, lá, dây )

+ Plutoni công nghiệp thu được bằng bức xạ Uranni 238 trong một lò phản

ứng hạt nhân,

Nó rất nặng (tỷ trọng 19,8), có tính phóng xạ và độc tính

cao, bề ngoài tương tự Urani và dễ bị bị oxy

hóa Putoni được đưa ra thành các hình thức thương

phẩm tương tự như Uranium đã được làm giàu

và đòi hỏi khi xử lý phải hết sức cẩn thận

Các hợp chất Urani và Plutoni chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp hạt nhân

Theo các chuyên gia đánh giá thì trữ lư ợng Uran trên toàn thế giới khoảng là 24,5 triệu tấn và nếu sử

dụng hoàn toàn vào sản xuất điện thì nó sẽ tạo ra một

năng lượng tương đương với khoảng 440 TW năm

1.2 Ở việt nam:

Urani trong một số mỏ và điểm quặng ở Việt Nam rất lớn,

tính theo U308 dự báo

là 218,167 tấn, trong đó cấp C1 là 113 tấn, cấp C2 là 16.563tấn, cấp P1 là 15.153 tấn và cấp P2+P3 là 186.338 tấn Cácđiểm mỏ quặng có trữ lượng lớn là Bắc Nậm Xe 9.800 tấn

cấp C2, Nam Nậm Xe 321 tấn cấp C2, Nông Sơn 546 tấn cấpP1, Khe Hoa- Khe Cao 7.300 tấn các loại… Với trữ lượng

này, Việt Nam có thể sử dụng nguồn nhiên liệu tại chỗ để sảnxuất điện hạt nhân

+ loại quặng 250 ppm : 62.800 tấn U3O8

+ loại quặng 500-600 ppm : 18.300 tấn U3O8

+ loại quặng 1000 ppm : 4700 tấn U3O8.II.Cơ sở lý thuyết NMĐHN:

2 Quy trình xây dựng nhà máy:

Nhiều yếu tố khác bảo đảm an toàn (như quản lý quá trìnhxây dựng, lắp đặt thiết bị, vận hành ) của nhà máy điệnhạt nhân đều phải tuân thủ những quy trình đặc biệt

nghiêm ngặt, mà bất cứ một sai sót nào cũng có thể tiềm

ẩn nguy cơ gây mất an toàn

Thí dụ đơn giản, nếu không giám sát kỹ khi xây dựng nhàmáy, để xảy ra việc dùng sắt thép, xi măng không đủ tiêuchuẩn, hoặc bị rút ruột công trình thì sẽ là tai họa khôn

lường

Chúng ta đã có nhiều bài học về năng lực quản lý xây

dựng các công trình lớn của quốc gia, để xảy ra nhiều hậuquả đáng tiếc như các sự cố gần đây (cầu Cần Thơ,

hầm Thủ Thiêm v.v.) Xin lưu ý, nếu xảy ra tình trạng

tương

tự đối với công trình nhà máy điện hạt nhân thì hậu quả sẽ

bi thảm và lâu dài hơn nhiều lần

• Tuy các tiêu chuẩn, quy trình kỹ thuật về các công việc này cóthể ban hành khi đã chính thức quyết định chủ trương đầu tư nhàmáy điện hạt nhân, nhưng cũng cần có danh mục và lộ trình cụ

thể ban hành các tiêu chuẩn, quy trình kỹ thuật chuyên ngành

• Ngoài ra, trong những năm gần đây, để bảo đảm an toàn trongtrường hợp bị khủng bố, trong thiết kế nhà máy điện hạt nhân cònphải tăng cường khả năng chống phá hoại (kể cả phá hoại theo

kiểu 11/9 ở Hoa Kỳ năm 2001, tức là phải an toàn cả trong

trường hợp bị máy bay đâm thẳng vào nhà máy) và tăng cường hệ thống bảo vệ an ninh nhiều vòng, chuẩn bị sẵn sàng hệ thống ứngphó sự cố hạt nhân Những công việc về bảo đảm an toàn nhà máyđiện hạt nhân làm cho các yêu cầu kỹ thuật, tài chính đối với côngtrình tăng lên rất nhiều và đó là điều chủ đầu tư cần phải báo cáo

Quốc hội ngay trong giai đoạn phê duyệt chủ trương đầu tư để Quốchội cân nhắc, quyết định

• Trước khi tìm hiểu cấu tạo nhà máy điện hạt nhân ta đi tim hiểu sơ lược về cấu tạo hạt nhân.

Mô hình đơn giản của nguyên tử

I Nguyên tử là gì?

- Nguyên tử là hạt trung hoà về điện.

- Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và vỏ tạo bởi một hay nhiều electron mang điện tích âm.

- Electron luôn luôn chuyển động.

- Tổng điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các electron.

- Nguyên tử là hạt vô cùng nhỏ, trung hoà về điện, tạo ra

mọi chất.

- Nguyên tử gồm Hạt nhân (+)

Vỏ tạo bởi một hay nhiều electron (e, -)

8

10 1

Nguyªn tö nh­ mét qu¶ cÇu cùc k× nhá bÐ ®­êng kÝnh 8 cm

10 1

II Hạt nhân nguyên tử

1) Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:

+ Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các prôtôn (p) (mang điện tích nguyên tố dương), và các nơtron (n)

(trung hoà điện), gọi chung là nuclôn, liên kết với nhau bởi lực hạt nhân, đó là lực tương tác mạnh, là lực hút giữa các nuclôn, có bán kính tác dụng rất ngắn ( r < 10-

15 m).

+ Hạt nhân của các nguyên tố ở ô thứ Z trong bảng

HTTH, có nguyên tử số Z thì chứa Z prôton (còn gọi Z

là điện tích hạt nhân) và N nơtron; A = Z + N được gọi

A là số khối Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số

prôton Z, nhưng có số nơtron N (số khối A) khác nhau, gọi là các đồng vị.

Có hai loại đồng vị bền và đồng vị phóng xạ.

• + Kí hiệu hạt nhân: Cách 1 (thường dùng): , ví dụ

bằng khối lượng của một nuclon, nên hạt nhân có số

khối A thì có khối lượng xấp xỉ bằng A(u).

• + Khối lượng của các hạt: - Prôton: mp = 1,007276 u; nơtron: mn = 1,008665 u;

• - êlectron: me = 0,000549 u.

• + Kích thước hạt nhân: hạt nhân có bán kính (m).

• + Đồng vị: là những hạt nhân chứa cùng số prôton Z (có cùng vị trí trong bản HTTH), nhưng có số nơtron khác nhau.

Hạt nhân nguyên tử tạo bởi Proton (p, +)

Notron (n), không mang điện

Proton : p (+) N¬tron : n (kh«ng mang ®iÖn).

TÓM LẠI

+ Độ hụt khối: Độ giảm khối lượng của hạt nhân so với tổng

khối lượng các nuclon tạo thành ∆m = m0 - m = Z.mP +

(A-Z).mn - m; m là khối lượng hạt nhân, nếu cho khối lượng

nguyên tử ta phải trừ đi khối lượng các êlectron

+ Năng lượng liên kết (NNLK) : ∆E = ∆m.c2

- Độ hụt khối lớn thì NNLK lớn Hạt nhân có năng lượng liên kết lớn thì bền vững

- Tính năng lượng liên kết theo MeV: ∆E = khối lượng(theo

u)×giá trị 1u(theo MeV/c2)

- Tính năng lượng theo J: E = năng lượng(theo MeV) × 13

1,6.10-+ Năng lượng liên kết riêng (NLLKR) là năng lượng liên kết

cho 1 nuclon Hạt nhân nào có năng lượng liên kết riêng lớn hơn thì bền vững hơn

+ Đơn vị năng lượng là: J, kJ, eV, MeV

Đơn vị khối lượng là: g, kg, J/c2; eV/c2; MeV/c2

2 Năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng

a) Hiện tượng một hạt nhân bị phân rã, phát ra các tia phóng

xạ và biến đổi thành hạt nhân khác gọi là hiện tượng phóng xạ.

Đặc điểm của phóng xạ: nó là quá trình biến đổi hạt nhân, không phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, áp suất,

môi trường xung quanh…) mà phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân (chất phóng xạ).

b) Tia phóng xạ không nhìn thấy, gồm nhiều loại:α, β-, β+, γ

làm iôn hoá mạnh nên năng lượng giảm nhanh, trong không khí đi được khoảng 8cm, không xuyên qua được tấm bìa

dày 1mm.

+ Tia bêta: phóng ra với vận tốc lớn có thể gần bằng vận tốc ánh sáng Nó cũng làm iôn hoá môi trường nhưng yếu hơn

xuyên qua tấm nhôm dày cỡ mm có hai loại:

3 Phóng xạ

- Bê ta trừ β- là các electron, kí hiệu là - Bêta cộng β+ là pôzitron kí hiệu là , có cùng khối lượng với êletron

nhưng mang điện tích +e còn gọi là êlectron dương.

- Tia γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (ngắn hơn tia X) cỡ nhỏ hơn 10-11m Nó có tính chất như tia X,

nhưng mạnh hơn Có khả năng đâm xuyên mạnh, rất

nguy hiểm cho con người.

Chú ý: Mỗi chất phóng xạ chỉ có thể phóng ra một trong

• c) Định luật phóng xạ: (2 cách)

• + Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi thời gian T gọi là chu kỳ phân rã Cứ sau thời gian T một nửa số hạt nhân của nó biến đổi thành hạt nhân khác

• N(t) = N0.2-k với hay N(t) = N0.e-λt; là hằng số phóng xạ ln2

= 0,693

• Khối lượng chất phóng xạ: m(t) = m0 e-λt; hay m(t) = m0.2-k

• + Trong quá trình phân rã, số hạt nhân (khối lượng) phóng xạ

giảm với thời gian theo định luật hàm số mũ với số mũ âm

• Chu kỳ bán rã T của một chất phóng xạ là thời gian sau đó số hạt nhân của một lượng chất ấy chỉ còn bằng một nửa số hạt nhân

ban đầu N0 Số hạt nhân N hoặc khối lượng m của chất phóng xạ giảm với thời gian t theo định luật hàm số mũ: , λ là hằng số

phóng xạ, tỉ lệ nghịch với chu kỳ bán rã:

T T

693 ,

0 2

ln

=

=

λ

• d) Độ phóng xạ của một chất phóng xạ được xác định bằng số hạt

nhân phân rã trong 1 giây

• + Kí hiệu H: H =

• Hay H = λ.N; H0 = λN0 là độ phóng xạ ban đầu

• Độ phóng xạ của một lượng chất bằng số hạt nhân của nó nhân

với hằng số phóng xạ.

• e) Trong phân rã α hạt nhân con lùi hai ô trong bảng hệ thống tuần

hoàn so với hạt nhân mẹ

• - Trong phân rã β- hoặc β+ hạt nhân con tiến hoặc lùi một ô trong

bẳng hệ thống tuần hoàn so với hạt nhân mẹ

• - Trong phân rã γ hạt nhân không biến đổi mà chỉ chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn

• - Vậy một hạt nhân chỉ phóng ra một trong 3 tia là α hoặc β- hoặc β+

• a) Phản ứng hạt nhân là tương tác giữa hai hạt nhân dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác

• + Phản ứng hạt nhân nhân tạo tạo nên đồng

vị phóng xạ nhân tạo.

4 Phản ứng hạt nhân

b) Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân:

+ Định luật bảo toàn nuclon (số khối A): Tương tác 2 hạt nhân là tương tác giữa các nuclon, prôton có thể biến đổi thành nơtron và ngược lại; tổng

số prôton và nơtron là nuclon không đổi A1 + A2 = A3 + A4

+ Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z): Tương tác 2 hạt nhân là tương tác hệ kín (cô lập) về điện, nên điện tích bảo toàn (tổng điện tích trước và sau phản ứng bằng nhau) Z1 + Z2 = Z3 + Z4

+ Định luật bảo toàn động lượng: Tương tác 2 hạt nhân là tương tác hệ kín (cô lập) nên động lượng bảo toàn (động lượng trước và sau phản ứng bằng nhau)

hay + Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (Gồm năng lượng nghỉ

vàcác năng lượng thông thường khác như động năng, nhiệt năng ): trong phản ứng hạt nhân, năng lượng toàn phần không đổi (năng lượng trước và sau phản ứng bằng nhau) M0c2 + E1 = Mc2 + E2

• Với M0 = mA + mB; M = mC + mD; E1 là động năng của các hạt trước phản ứng, E2 là động năng của các hạt sau phản ứng và các năng lượng khác

• +Trong phản ứng hạt nhân không có định luật bảo toàn khối lượng: khối lượng các hạt trước và sau phản ứng không bao giờ bằng nhau, vì độ hụt khối của các hạt nhân không giống nhau

X 01 ZA1

A Z

ν + +

→+ e − Y

X 01 ZA1

A Z

• Phóng xạ

Phóng xạ là hiện tượng một số

hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và

phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ ) Các nguyên tử có tính phóng

điện dương như hạt anpha, hạt proton ; mang

điện âm như chùm electron ( phóng xạ beta );

không mang điện như hạt nơtron, tia gamma (có

lớn hơn nhiều) Sự tự biến đổi như vậy của hạt

nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã

phóng xạ hay phân rã hạt nhân

d) Trong phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng

M0 (M0 = mA + mB) của các hạt nhân tham gia phản ứng khác tổng khối lượng M (M = mC + mD) của các hạt tạo thành Nếu M < M0 (hay

độ hụt khối các hạt tạo thành lớn hơn độ hụt

khối các hạt nhân tham gia phản ứng) thì phản ứng toả năng lượng và ngược lại: M0 < M thì phản ứng hạt nhân thu năng lượng Năng lượng của phản ứng hạt nhân là: ∆ E = ∆ M.c2.

e) Có hai loại phản ứng hạt nhân toả ra

năng lượng, năng lượng đó gọi là năng

lượng hạt nhân.

+ Một hạt nhân rất nặng khi hấp thụ một

nơtron chậm sẽ vỡ thành hai hạt trung

bình, cùng với N nơtron là sự phân hạch

MeV 200

n N Y

X U

→

→ +

PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH-NHIỆT HẠCH

• PHÂN HẠCH

Sự phân hạch hạt nhân chính là quá trình nguyên tử urani tách và giải phóng năng lượng Đây là một trong những tiến bộ vật lý khoa học vĩ đại nhất của thế kỷ XX, nó đã giải đáp được mọi băn khoăn của vật lý học thời bấy giờ, mở ra cánh cửa tiến vào thời đại nguyên tử Phát hiện này đặt nền móng cho sự phát triển của sức mạnh hạt nhân và vũ khí hạt nhân