Đề tài năng lượng hạt nhân

MÔ HÌNH HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN• Một vài mô hình của hạt nhân tồn tại và thử nghiệm từ việc tính toán đến độ bền của những hạt nhân khác nhau.. MÔ HÌNH HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂ

NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

I TỔNG QUAN

 Hầu hết các quốc gia đã bắt đầu thực hiện chương trình phát triển năng lượng hạt nhân

 Tính tới tháng 7 năm 2008, có tổng cộng 430 nhà máy điện hạt nhân trên

thế giới cung cấp tới 15% tổng số điện năng thế giới của năm 2007 Trong số 31 nước có nhà máy điện hạt nhân thì có nhiều nước lệ thuộc nhiều vào lượng điện hạt nhân cung cấp

20%

Sự gia tăng sử dụng năng lượng hạt nhân chủ yếu là do nó có sự thu hút như là nguồn năng lượng

"sạch" không thể thay thế được

Hiện trường nhà máy điện hạt nhân Chemobyl khi xảy ra thảm họa

Click to edit Master text styles

Second level

Third level

Fourth level

Fifth level

Three Mile Island (Hoa kỳ)

II LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Năng lượng hạt nhân dựa vào công thức Einstein:

II LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Khối lượng và điện tích của các hạt cơ bản được đưa ra trong bảng 7.1

II LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Đồng vị của phân tử có cùng số proton (và electron) nhưng khác nhau số nơtron Vì vậy, uranium tự nhiên gồm 3 đồng vị, có 5 đồng vị của zirconium Bảng 7.2:

II LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

• Kí hiệu được sử dụng đại diện hạt nhân của một đồng vị là:

R = R0A1/3

• Tại R0 = (1.5± 0.2) x 10-13 cm Mật độ hạt nhân là rất cao, khoảng 1014 g/cm3 hoặc 108 t/cm3.

• Năng lượng liên kết

ΔFB(A,Z) = {(Z Mp + (A-Z) Mn) - MN}c2

∆EB (A,Z): năng lượng liên kết của các hạt nhân với giá trị A,Z ( MeV)

MN: khối lượng đồng vị của hạt nhân.

Mp: khối lượng của proton.

Mn: khối lượng của nơtron.

III MÔ HÌNH HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

• Một vài mô hình của hạt nhân tồn tại và thử nghiệm từ việc tính toán đến độ bền của những hạt nhân khác nhau

Vỏ mô hình được dự đoán là một hạt nhân bền với N hoặc Z bằng 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 và 152.

• Đồng vị trên đường ổn định trở nên bền bởi hạt β liên quan đến chuyển hóa 1 nơtron thành proton.

III MÔ HÌNH HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

• Phản ứng mà hạt nhân có thể phóng xạ ra nơtron chỉ diễn ra khi hạt nhân ở trạng thái kích thích và đó là nguồn gốc của kết quả phản ứng

• Ở đó hạt α có thể được cung cấp bởi nguồn radium

III MÔ HÌNH HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Một vài chu kì bán rã của hạt nhân

IV TỐC ĐỘ PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

• Đồng đẳng được tạo thành bởi phản ứng tạo thành nơtron do phóng xạ khí quyển.

• Kí hiệu viết tắt của phản ứng trên là

• phản ứng với oxi và tạo thành CO2 kết hợp để tạo thành hoạt chất.

• Tốc độ mà phân rã cân bằng với tốc độ mà nó được hình thành khi trạng thái cân bằng được thiết lập và được thay thế liên tục như sự phân rã của nó Khi hoạt chất "chết", nó không còn hấp thụ CO2, và như vậy, bắt đầu phân rã mà không bị thay thế.

  

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

- Phóng xạ hạt nhân phân rã bởi quá trình tự phát Hoạt động đó được tính toán bằng một vài phương pháp:

(1) bởi hoạt động của nguyên liệu Đơn vị cơ bản là curie (Ci) tương đương 3.7 x 1010 phân rã/giây

từ 1g radium Đơn vị hiện đại, becquerel : 1Bq = 1 phân rã trong giây

(2) năng lượng của phóng xạ trong điều kiện hấp thụ năng lượng

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

Đơn vị của phóng xạ:

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

- Tia α độc hại hơn nhiều so với tia β Tuy nhiên, RBE

( hiệu quả sinh học tương đối) của phóng xạ có thể bình thường hóa những tổn hại đến mô bởi các loại phóng xạ khác nhau Điều đó được minh họa bởi công thức :

Rem = (Rad)(RBE)

- Giá trị RBE của một số loại phóng xạ:

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

• Mức tổn hại phóng xạ khoảng 400- 500 Rem gây tử vong cho con người

• Mức tổn hại phóng xạ đến sức khỏe con người:

• Một vài bằng chứng chỉ ra rằng 1 lượng nhỏ có thể có lợi và gợi ý rằng cơ chế trong cơ thể sống và động vật chịu tác động bởi 1 lượng nhỏ phóng xạ.

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

Trong cơ thể con người ngoài 14C còn chứa 1 vài đồng vị phóng xạ tự nhiên

V ĐƠN VỊ PHÓNG XẠ

Năng lượng phóng xạ là rất thấp, và những thiệt hại sinh học do các đồng vị có tầm quan trong thứ yếu Mức độ tiếp xúc bình thường của con người

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Các đồng vị xuất hiện trong tự nhiên, chỉ có 235U là phân hạch Phản ứng 235U với nơtron tạo ra plutonium (Pu) bởi phản ứng liên tục

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Trong tự nhiên một số hạt nhân đồng vị phóng xạ nặng như Urani

235 hoặc Plutoni 239 có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt

nhân

 Khi một hạt nhân nguyên tử này hấp thụ một neutron, nó chuyển

sang trạng thái kích thích với số nguyên tử lượng tăng 1, ví dụ 235U

thành 236U

 Sau đó chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng

ra nhiều năng lượng, bức xạ gamma và khoảng 2 - 3 neutron tự do;

được gọi chung là sản phẩm phân hạch

 Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các

hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân

hạch diễn ra thành phản ứng dây chuyền.

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Toàn bộ quá trình phân hạch xảy ra

trong trong lõi bằng thép của lò phản

ứng Nhiệt mà phản ứng tạo khiến nước

sôi và bốc hơi Luồng hơi nóng của

nước làm quay các turbin và tạo ra

điện

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Trong lõi của lò phản ứng, nguyên tố

uranium hoặc plutonium được nạp

vào các thanh nhiên liệu (màu đỏ)

chìm trong nước Các thanh điều

khiển (màu đen) để làm nhanh hoặc

chậm quá trình phân hạch của nhiên

liệu hạt nhân được đặt bên dưới các

thanh nhiên liệu

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Khi sự cố bất ngờ, như động đất, xảy ra thì

các thanh điều khiển tự động kích hoạt và

trồi lên, nằm xen kẽ với các thanh nhiên

liệu nhằm hấp thụ neutron từ các thanh

nhiên liệu Do bị hấp thụ, các hạt neutron

không thể bắn phá nguyên tử urani hoặc

plutoni nên phản ứng phân hạch chấm dứt

và lò phản ứng ngừng hoạt động

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

• Lò phản ứng có thể phân loại theo điều kiện cuả nhiên liệu, (235U, 233U, 239Pu) và hợp kim chứa

nó, máy giảm tốc cần thiết để làm chậm các nơtron, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để tạo ra hơi nước Loại phổ biến nhất sử dụng tác nhân làm lạnh có thể là chất lỏng hoặc khí

Lò phản ứng nước nhẹ (LWR) được phân loại tiếp thành

 lò phản ứng nước áp lực (PWR)

 lò phản ứng nước sôi (BWR)

Các lò phản ứng đòi hỏi nhiên liệu làm giàu 235U khoảng 3% đủ để dòng nơtron phản ứng liên tục

Ví dụ như UO2, ở dạng bột viên kèm theo trong một hợp kim zirconium

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

 Nước áp lực cao trong lò phản ứng vừa là chất tải nhiệt, vừa là chất làm chậm, nó được dẫn qua thiết bị sinh hơi để tạo ra hơi nước và làm quay turbine của máy phát điện.

 Một Lò phản ứng PWR có từ 150 – 250 Khối nhiên liệu, mỗi Khối nhiên liệu có từ 200 – 300 Viên nhiên liệu trong nó Như vậy khi Lò phản ứng đang vận hành thì trong tâm lò phản ứng thường có từ 80 – 100 tấn Uranium.

 Nước trong tâm Lò phản ứng ở vào khoảng 3250C, vì vậy nó phải được giữ khoảng 150 lần áp suất khí quyển để ngăn cản nước sôi Áp lực này sẽ được duy trì bởi hơi trong thiết bị tạo áp lực Nước trong vong thứ cấp sẽ có áp lực thấp hơn trong vòng sơ cấp

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC (PWR)

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC (PWR)

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI (BWR)

BWR sử dụng nước khử khoáng (nước nhẹ - light water) làm chất tải nhiệt và chất làm chậm neutron

Nhiệt sinh ra tại tâm lò phản ứng sẽ làm cho nước bay hơi, hơi nước sinh ra được chuyển trực tiếp tới turbine và làm quay máy phát điện, sau đó nó sẽ được ngưng tụ thành chất lỏng (dạng nước) và chuyển trở lại tâm lò phản ứng Nước tải nhiệt được duy trì ở 75atm (7.6Mpa) vì vậy nước sôi ở tâm lò phản ứng có nhiệt độ khoảng 2850C (5500F).

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI (BWR)

Lò phản ứng làm mát bằng khí được phát triển ở Great Britain sử dụng CO2 như là khí làm

mát và than chì là chất điều hành với kim loại urani tự nhiên là nhiên liệu Hiệu suất nhiệt khoảng 25%

Với việc làm giàu urani đến 2.2%, hiệu suất nhiệt tăng 41% và nó là lò phản ứng khí nâng cao(AGR) hê –li cũng được sử dụng ở nhiệt độ cao

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Lò phản ứng nước nặng được phát triển ở Canada và được biết đến như lò phản ứng

CANDU sử dụng nhiên liệu chuẩn Mỗi bó nhiên liệu là tập hợp của nhiều thanh nhiên liệu

có vỏ bọc làm bằng hợp kim zircaloy, bên trong chứa các viên UO2 thiên nhiên

VI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

VII CHẤT THẢI HẠT NHÂN

Chất thải phóng xạ là chất thải có chứa chất phóng xạ

Chất thải phóng xạ thường là sản phẩm phụ của nhà máy điện hạt nhân và các ứng dụng khác của phân hạch hạt nhân hoặc công nghệ hạt nhân, chẳng hạn như nghiên cứu và y học

Chất thải phóng xạ nguy hiểm cho hầu hết các hình thức của sống và môi trường, và được quy định bởi các cơ quan chính phủ để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường

Bể chứa chất thải hạt nhân

Cất giữ

tro

ng

đá

nhân t ạo

Tái chế

Chôn

dưới sông

băn g

Chôn sâu

dướ

i đáy biển

Chô

n s

âu

dưới lòng đất

VII CHẤT THẢI HẠT NHÂN

Một số giải pháp xử lí:

VIII TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1 Phản ứng Đơteri – tritrum

  

ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

ƯU ĐIỂM

- Tạo ra một số lượng lớn năng lượng

- Nguồn năng lượng xanh

- Không làm ô nhiễm không khí

- Tai nạn nhà máy điện hạt nhân

- Vận chuyển nhiên liệu và chất thải