Năng lượng hạt nhân được tạo ra như thế nào

Có 3 phương pháp chính để có thể lấy được loại năng lượng này : phân hạch hạt nhân , tổng hợp hạt nhân và phân rã hạt nhân .tuy nhiên cho đến nay ,chỉ có phương pháp phân hạch hạt nhân l

• PHẦN I: năng lượng hạt nhân

• I.2: Sơ lược về Năng lượng hạt nhân

• I.3: Cơ chế làm việc

• I.4: Tính chất đặc trưng

• PHẦN II: ỨNG DỤNG CỦA năng lượng hạt nhân

• II.1: Tổng quan

• II.2: Ứng dụng chính

NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN ĐƯỢC TẠO RA NHƯ THẾ NÀO ?

Năng lượng hạt nhân được tạo ra như thế nào?

Về căn bản năng lượng hạt nhâ được lấy từ việc chia tách hạt nhân nguyên tử trong lò phản ứng hạt nhân , Có 3 phương pháp chính để có thể lấy được loại năng lượng này : phân hạch hạt nhân , tổng hợp hạt nhân và phân rã hạt nhân tuy nhiên cho đến nay ,chỉ có phương pháp phân hạch hạt nhân

là được sử dụng một cách rộng rãi trên toàn thế giới

TÌM RA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Tìm ra năng lượng hạt nhân :

Uranium được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức, Martin Klaproth và được đặt tên dựa theo tên sao Thiên Vương (Uranus)

459px-Martin_Heinrich_Klaproth

Martin Klaproth, nhà hóa học người Đức, người đã phát hiện ra Uranium lần đầu tiên vào năm 1789 Bức xạ ion được phát hiện vào năm 1895 bởi Wilhelm Rontgen trong thí nghiệm cho một dòng điện chạy qua một ống chân không thủy tinh và tạo nên các tia X liên tục Tiếp theo vào năm 1896, Henri

Becquerel phát hiện ra rằng quặng pecblen (một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium) có khả năng làm tối kính ảnh Ông đã nghiên cứu hiện tượng trên và chứng minh được rằng đó là do bức xạ beta (electron) và các hạt alpha (hạt nhân Heli) được phát xạ ra

Sau đó, nhà vật lý người Pháp Paul Villard đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ thứ 3 của quặng

pecblen: tia gamma, loại tia tương tự như tia X Năm 1896, Pierre và Marie Curie đã đặt tên "phóng xạ" (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng này 2 năm sau đó vào năm 1898, họ đã tách được Polonium và radium từ quặng pecblen Năm 1898, Samuel Prescott đã phát hiện ra các bức xạ có thể tiêu hủy vi khuẩn trong thực phẩm

Pierre_and_Marie_Curie

Pierre và Marie Curie đã đặt tên "phóng xạ" (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng phân rã hạt nhân

admicro.vn

Xem thêm

Vào năm 1902, nhà vật lý học người New Zealand, Ernest Rutherford (1871-1937) đã chứng minh được rằng phóng xạ là một sự kiện tự phát, các hạt alpha hoặc beta phát xạ ra từ hạt nhân có thể tạo ra nhiều nguyên tố khác nhau Ông (cùng với Soddy) đã đưa ra thuyết phân rã phóng xạ và chứng minh sự tạo thành heli trong quá trình phóng xạ Ông được coi là "cha đẻ" của vật lý hạt nhân khi đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử và đặt cơ sở cho các học thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử sau này Từ năm 1919, ông làm việc tại Cambridge Tại đây, ông đã thực hiện thành công thí nghiệm bắn một hạt alpha vào phân tử nito Ông nhận thấy rằng hạt nhân Nito có sự sắp xếp lại và biến thành Oxy

Pitchblende+zippeite01

Quặng pecblen, một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium trong tự nhiên

Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch cũng có nhiều đóng góp cho sự hiểu biết về nguyên tử và sự phân bố của các electron quanh hạt nhân vào những năm 1940 Bohr được trao giải thưởng Nobel vào năm 1922 về những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu nguyên tử và cơ học lượng tử Ông được coi là một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất trong thế kỷ 20

Niels_Bohr_Date_Unverified_LOC

Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch cũng có nhiều đóng góp cho sự hiểu biết về nguyên tử và sự phân bố của các electron quanh hạt nhân vào những năm 1940

Đến năm 1911, nhà vật lý người Anh Frederick Soddy (1877-1956) đã phát hiện ra rằng các nguyên

tố phóng xạ trong tự nhiên có một số đồng vị khác nhau (nuclit phóng xạ) Cũng trong năm 1911, nhà hóa học người Hungary George Charles de Hevesy (1885-1966) đã sử dụng các đồng vị là nguyên tử đánh dấu để nghiên cứu về các quá trình hóa học Trong sự nghiệp hóa học của Hevesy cũng có một

điểm thú vị khi Đức xâm chiếm Đan Mạch, ông đã hòa tan huân chương Nobel bằng vàng của James Franck và Max von Laue vào nước cường toan để chúng không bị rơi vào tay của phát xít Sau khi chiến tranh kết thúc, ông đã trở lại và dùng dung dịch cất giữ được, tìm cách kết tủa lại lượng vàng

đã bị hòa tan Số vàng này đã được giao lại cho Viên hàn lâm khoa học Thụy Điển để họ đúc lại huân chương mới gởi tặng Franck và Laue

Vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra sự tồn tại của nơ tron Cũng vào năm 1932, Cockcroft

và Walton đã tạo ra hạt nhân biến đổi bằng cách bắn phá nguyên tử bằng các proton được tăng tốc Sau đó, vào năm 1934, Irene Curie và Frederic Joliot đã phát hiện ra các biến đổi của hạt nhân trong quá trình bắn phá đã tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo Một năm sau, nhà vật lý học người Ý Enrico Fermi (1901-1954) phát hiện ra rằng nếu dùng nơ tron để bắn phá thay cho proton có thể tạo

ra được nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo hơn Fermi có nhiều đóng góp to lớn trong sự phát triển của phân rã bêta, phát triển lò phản ứng hạt nhân đầu tiên của loài người

Vào cuối năm 1938, 2 nhà hóa học người Đức Otto Hahn (1879-1968) và Fritz Strassmann (1902-1980), trong thí nghiệm chứng minh phản ứng phân hạch đã chỉ ra rằng đã tạo ra được phân tử Bari

có khối lượng bằng một nửa so với khối lượng ban đầu của Uranium Sau đó, nữ vật lý học người Thụy Điển Lise Meitner (1878-1968) cùng cháu của bà là Otto Frisch đã chứng minh được bản chất của quá trình phân hạch là do hạt nhân đã giữ lại các nơ tron, các nơ tron này gây ra sự rung động mạnh trong hạt nhân khiến nó vỡ ra thành 2 phần không bằng nhau Đồng thời, 2 nhà nghiên cứu cũng ước tính được rằng năng lượng giải phóng từ quá trình phân hạch hạt nhân lên tới khoảng 200 triệu Volt Sau đó, Frisch đã tiếp tục nghiên cứu kiểm chứng và xác nhận con số trên vào tháng 1 năm 1939

Đồng thời, kiểm chứng của Frisch cũng đã xác nhận dự đoán của Albert Einstein về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng công bố từ hơn 30 năm trước đó, vào năm 1905

SƠ LƯỢC VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHẤN NGUYÊN TỬ

A Năng lượng hạt nhân và các khái niệm:

1 Năng lượng hạt nhân là gì ?

- Năng lượng hạt nhân là năng lượng bên trong hạt nhân của các nguyên tử Năng lượng này liên kết các proton và neutron lại với nhau Năng lượng hạt nhân chủ yếu có từ lực liên kết giữ các hạt proton và neutron hay còn gọi là “lực tương tác mạnh” Lực tương tác này lớn hơn rất nhiều lần so với lực tĩnh điện giữa các nucleon (gồm neutron ko mang điện và proton mang điện tích dương ) với nhau Nhờ đó mà hạt nhân mới có thể tồn tại được

- Năng lượng hạt nhân có thể được chuyển hóa thành điện năng để cung cấp, phục vụ sinh hoạt cho người dân hay còn gọi là điện hạt nhân

- Để giải phóng được năng lượng hạt nhân trong nguyên tử và chuyển hóa nó thành điện năng, Chúng ta có một số cách như sau:

+ Thông qua các phản ứng phân hạch: các nguyên tử được tách ra, giải phóng năng lượng liên kết các hạt cấu tạo nên hạt nhân

+ Thông qua các phản ứng nhiệt hạch ( hay hợp hạch): các nguyên tử được đun nóng đến một nhiệt

độ rất cao, dẫn đến sự kết hợp của một nguyên tử cùng loại và giải phóng năng lượng trong quá trình này Tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có cách nào để có thể lấy năng lượng thông qua các phản ứng nhiệt hạch một cách an toàn, và hiệu quả

Năng lượng hạt nhân là năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thu được nhờ các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Có ba loại phản ứng hạt nhân: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp và phân rã phóng xạ Trong đó phản ứng phân hạch được ứng dụng chủ yếu vì tính hiệu quả của nó

Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission)

Phản ứng phân hạch hạt nhân được Enrico Fermi thực hiện hành công vào năm

1934 khi nhóm của ông dùng nơtron bắn phá hạt nhân Uranium Năm 1938, các nhà hóa học khác đã thực hiện các thí nghiệm tạo ra các sản phẩm của Uranium sau khi bị nơtron bắn phá Họ xác định rằng các nơtron tương đối nhỏ có thể cắt các hạt nhân của các nguyên tử Urani lớn thành hai phần khá bằng nhau Đây là một kết quả đáng ngạc nhiên

Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa nhiệt Tổng khối lượng sản phẩm không bằng tổng khối lượng tác chất ban đầu Khối lượng bị mất đã chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, đồng thời nó giải phóng một năng lượng lớn rất hữu ích

Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân nguyên tử bị các nơtron bắn phá thành những mảnh nhỏ khác với hạt nhân và nơtron ban đầu Các nơtron mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng kế tiếp Từ đó hình thành phản ứng dây Khi phản ứng đạt đến khối lượng tới hạn, nó trở thành phản ứng tự hoạt động Nếu có quá nhiều nơtron được sinh ra, phản ứng sẽ mất kiểm soát dẫn đến cháy nổ lớn Để tránh điều này, người ta sử dụng chất hấp thụ nơtron và bộ đều hòa nơtron để thay đổi tỷ lệ nơtron tham gia vào các phản ứng phân hạch tiếp theo

Uranium-235 và plutoni-239 là nguyên liệu chủ yếu của phản ứng hạt nhân, có thể phát ra năng lượng đến 200-210 MeV

ẢNH

Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission): Nơtron (màu trắng) bắn phá hạt nhân nguyên tử thành hai phần tương đối bằng nhau

ẢNH

Phản ứng dây chuyền (Chain reaction).

Trong hóa học và vật lý hạt nhân phản ứng dây chuyền là chuỗi các phản ứng trong đó sản

phẩm hoặc sản phẩm phụ của phản ứng này là tác nhân gây ra các phản ứng tiếp theo.[1]

Trong quá trình đó tùy theo khối lượng, trạng thái hóa-lý của khối vật liệu, và trạng thái môi

trường mà thất thoát tác nhân sẽ xảy ra với mức độ khác nhau, dẫn đến phản ứng dây

chuyền được duy trì ở mức độ khác nhau Trong phản ứng dây chuyền, việc đảm bảo một phản

hồi tích cực, ít thất thoát tác nhân, sẽ dẫn đến một chuỗi tự khuếch đại của các sự kiện phản ứng

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion)

Là loại phản ứng khác để tạo năng lượng hạt nhân Một ví dụ thông dụng là tritium và deuterium được kết hợp để tạo ra helium và một nơtron (hình phía dưới) Không như phản ứng phân hạch, phản ứng này chỉ sinh ra năng lượng khoảng 18 MeV Nhưng ưu điểm là nguyên liệu rẻ tiền và dễ tìm hơn Uranium

ẢNH

Phản ứng nhiệt hạch (Nuclear Fusion).

Trong hóa học và vật lý hạt nhân phản ứng dây chuyền là chuỗi các phản ứng trong đó sản phẩm hoặc sản phẩm phụ của phản ứng này là tác nhân gây ra các phản ứng tiếp theo.[1]

Trong quá trình đó tùy theo khối lượng, trạng thái hóa-lý của khối vật liệu, và trạng thái môi trường mà thất thoát tác nhân sẽ xảy ra với mức độ khác nhau, dẫn đến phản ứng dây chuyền được duy trì ở mức độ khác nhau Trong phản ứng dây chuyền, việc đảm bảo một phản hồi tích cực, ít thất thoát tác nhân, sẽ dẫn đến một chuỗi tự khuếch đại của các sự kiện phản ứng

Phân rã phóng xạ (Radioactive decay)

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)

Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang 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 bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng 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

Tự phân hạch là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lớn

Ví dụ uranium tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra nơtron và một số hạt cơ bản khác, cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân

Trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, tức là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng bị hao hụt này chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ được tính theo công thức nổi tiếng của Albert Einstein E=mc² trong đó E là năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân, m là độ hụt khối và c = 298.000.000 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không

ẢNH

Phân rã phóng xạ (Radioactive Decay): Nguyên tử phóng xạ (Radioactive atom) không bền phát ra năng lượng bức xạ

Lò phản ứng hạt nhân

Ngày nay trên thế giới có khoảng 17% năng lượng điện được cung cấp bởi các nhà máy hạt nhân Đặc biệt là ở Pháp, hơn 75% điện năng lấy từ năng lượng hạt nhân Nguyên liệu phản ứng được nạp vào lò hạt nhân dưới hình thức những viên nhiên liệu tròn Mỗi viên nhiên liệu chứa khoảng 3% U-235

ẢNH

Viên nhiên liệu chứa 3% U-235/viên

Các viên này được cho vào thanh nhiên liệu lắp đặt xen kẽ với bộ bộ đều hòa nơtron Nhà máy hạt nhân Comanche dùng khoảng 13 triệu viên nhiên liệu cho mỗi đợt phản ứng và để tối ưu hóa quá trình, cứ mỗi 12-18 tháng, khoảng 1/3 tới 3/4 nhiên liệu được thay mới

Toàn bộ hệ thống được dìm ngập trong nước để giải nhiệt trong suốt quá trình phản ứng Các lò phản ứng hạt nhân hầu hết có các hệ thống vận hành bằng tay

và tự động để tắt phản ứng phân hạch khi phát hiện các điều kiện không an toàn

Lò phản ứng được bao quanh bởi lớp vỏ kép gồm lớp vỏ ngăn phóng xạ và lớp vỏ bảo vệ ngoài cùng Lớp vỏ kép này làm việc hiệu quả để ngăn chặn phóng xạ rò

rỉ và tác động va chạm từ bên ngoài

ẢNH

Tất cả các lò phản ứng tuy có kích thước và mục đích sử dụng khác nhau nhưng đều dùng nước được nung nóng bằng năng lượng của phản ứng phân hạch để tạo

ra hơi nước, và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy

Hai loại hệ thống lò thông dụng hiện nay là lò phản ứng điều áp (Pressurized Water Reactor) và lò phản ứng hơi nước (Boiling Water Reactor) Trong lò điều

áp, nước được làm nóng bằng năng lượng hạt nhân và được điều chỉnh áp suất, vì vậy nước không sôi Nước nóng này sẽ làm nóng nước trong máy phát điện hơi nước bên cạnh Trong hệ thống lò phản ứng hơi nước, nước được làm sôi từ năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân Nước sôi này làm chạy tuabin Tuabin tiếp tục kích hoạt máy phát điện Trong cả hai hệ thống, nước được tái sử dụng

2.1 Lò Phản Ứng Hạt Nhân:

- Khái niệm: Lò phản ứng hạt nhân là một hệ thống dùng để điều khiển các phản ứng dây chuyền và lấy năng lượng từ các phản ứng đó Trong các nhà máy điện hạt nhân, các lò phản ứng hạt nhân chuyển năng lượng đó thành hơi nước để quay các tua-bin và tạo ra điện năng

Một lò phản ứng hạt nhân hoạt động theo sơ đồ sau :

Chú thích:

- Control Rods: Gậy điều khiển

- Reactor Core: Lõi phản ứng

- Steam Generator: Máy tạo hơi nước

- Turbine: Tua bin

- Steam Consender: Máy ngưng tụ hơi nước

- Generator: máy phát điện

- Reactor Vessel: Bình phản ứng

Nguyên lý hoạt động:

- Chúng ta cần cung cấp neutron với năng lượng thấp để kích thích các nguyên tử 235U phân hạch và tạo ra các phản ứng dây chuyền Tuy nhiên các phản ứng phân hạch lại tạo ra các hạt neutron với năng lượng rất lớn nên chúng ta cần phải giảm năng lượng của chúng thông qua các lõi hạt nhân ( thường là nước) để duy trỳ phản ứng dây chuyền

- Các nguyên tử 238U cũng có thể hấp thụ các neutron với năng lượng cao để phân hạch Tuy nhiên, thường hiệu suất của phản ứng này không cao và không thể duy trỳ được các phản ứng dây chuyền như các nguyên tử 235U Do đó, người ta thường làm giàu nguyên liệu hạt nhân bằng cách tách cách hạt 235U từ 238U trước khi cho vào các lò phản ứng hạt nhân

- Hiệu suất của phản ứng được điều khiển bởi các gậy điều khiển Đây là các gậy được cấu tạo bởi các chất đặc biệt nhầm hấp thụ các neutron chuyển động mà không gây thêm bất cứ phản ứng phụ nào Để giảm hiệu suất phản ứng hạt nhân ta cần thêm vào lõi phản ứng các gậy điều khiển nhằm đảm bảo rằng phản ứng phân hạch xảy ra chậm hơn và an toàn hơn nhưng sẽ sản xuất ra ít điện hơn Ngược lại, để tăng hiệu suất phản ứng chúng ta rút bớt số gậy điều khiển ra khỏi lõi hạt nhân để tăng khả năng các hạt neutron gặp được các nguyên

tử U và kích thích thêm các phản ửng dây chuyền và tăng được lượng điện năng sản xuất

- Các hạt trong phản ứng phân hạch bị tách thành các sản phẩm phân hạch với động năng rất lớn Động năng này làm tăng nội năng của nguyên liệu hạt nhân và lõi hạt nhân và cuối cùng chuyển thành nhiệt đun nóng lõi hạt nhân và nước xung quanh nó Lượng nước được đun nóng này bị nhiễm phóng xạ nên phải được dẫn qua và truyền nhiệt cho nước trong máy tạo hơi nước để tạo ra hơi nước không nhiễm phóng xa Lượng hơi nước này rất nóng và có áp suất rất cao (pV = nRT) Lượng hơi nước này làm quay các tua-bin, giúp các máy phát điện tạo ra điện và được làm nguội lại và ngưng tụ lại nhờ vào máy ngưng tụ hơi nước (Steam Consender) Sau đó, lượng nước này được dẫn ngược lại vào bình phản ứng (Reactor Vessel) để tiếp tục lại quá trình

Một lò phản ứng hạt nhân có thể tạo ra lượng điện với công suất khoảng 1000 MW

20 Ứng dụng của năng lượng hạt nhân

trong điện hạt nhân.

Nhà máy điện hạt nhân hoạt động gần tương tự như nhà máy nhiệt điện

Nguyên lý làm việc của nhà máy điện hạt nhân cũng giống như hoạt động của các nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu hoặc khí đốt…) để tạo ra điện Còn nhà máy điện hạt nhân

sử dụng nhiệt lượng từ các phản ứng phân hạch hạt nhân để điều khiển các tuabin quay, từ đó tạo ra điện năng

Phản ứng phân hạch hạt nhân

Trong các lò phản ứng hạt nhân, quá trình tạo nhiệt này được thực hiện bởi các phản ứng phân hạch của các nhiên liệu hạt nhân, mà phổ biến nhất là Urani

Các loại lò phản ứng điện hạt nhân

90% lò phản ứng điện hạt nhân trên thế giới hiện nay thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ Có 3 dạng lò phản ứng nước nhẹ Bao gồm lò phản ứng nước áp lực, lò phản ứng nước sôi và (hầu hết thiết kế của) lò phản ứng nước siêu tới hạn