NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ III

Ngày nay chúng ta chủ yếu sử dụng nguồn năng lượng không tái tạo như dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên… Cho dù trữ lượng lớn đến đâu thì dần cũng sẽ bị cạn kiệt.Trước tình hình đó các nhà khoa học tìm đến nguồn năng lượng hạt nhân và khẳng định hạt nhân chính là giải pháp hữu hiệu nhất cho vấn đề khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất, hạt nhân là giải pháp bảo vệ môi trường, là cách giảm thải gây hiệu ứng nhà kính.Sử dụng năng lượng hạt nhân mở ra một quá trình tiến hóa, trong đó bao gồm cả cuộc cách mạng kỹ thuật mới dẫn tới cơ sở mới về công nghệ và năng lượng cho nền kinh tế. Hiện nay năng lượng hạt nhân ngày càng được xem như công nghệ năng lượng cận tái tạo. Trong hệ thống năng lượng mới có thể chấp nhận cho việc sử dụng lâu dài và quy mô lớn, năng lượng hạt nhân sẽ thực hiện vai trò không chỉ là nguồn năng lượng hiệu quả cao, mà còn có chức năng kiểm soát mức thải khí CO2 và mức phóng xạ cần thiết.Ngược lại có những ý kiến lên án các lò phản ứng nguyên tử là nguy cơ tiềm tàng dẫn đến phá hủy môi trường sống. Mặc dù năng lượng hạt nhân mang lại hiệu quả kinh tế cao nhưng các chính phủ điều biết hiểm họa nếu sự cố xảy ra.Trong đề tài này em muốn tìm hiểu về:Lịch sử năng lượng hạt nhân.Nguyên lý tạo ra nguồn năng lượng hạt nhân và ứng dụng.Điện hạt nhân.An toàn hạt nhân.Tình hình năng lượng hạt nhân ở Việt Nam và kết luận.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH



KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO NĂNG LƯỢNG VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

Đề tài: “NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ III”

Giảng viên hướng dẫn: HOÀNG TRÍ

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU CHỈNH 11243006

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2014

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian

từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian đang học tập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này, Khoa đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy cũng như tất cả các sinh viên thuộc các chuyên ngành Khoa Học Kĩ Thuật khác Đó là môn học “Năng Lượng Và Quản Lý Năng Lượng”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Trí đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi nói chuyện, thảo luận về lĩnh vực sáng tạo trong nghiên cứu khoa học Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ bài thu hoạch này của em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy

Bài thu hoạch được thực hiện trong khoảng thời gian gần 1 tuần Bước đầu đi vào thực tế, tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo trong nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Tuy đã có rất nhiều cố gắng nhưng chắc chắn tiểu luận của em có rất nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hữu Chỉnh

2

TÓM TẮT TIỂU LUẬN

NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ 3

Ngày nay chúng ta chủ yếu sử dụng nguồn năng lượng không tái tạo như dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên… Cho dù trữ lượng lớn đến đâu thì dần cũng sẽ bị cạn kiệt

Trước tình hình đó các nhà khoa học tìm đến nguồn năng lượng hạt nhân và khẳng định hạt nhân chính là giải pháp hữu hiệu nhất cho vấn đề khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất, hạt nhân là giải pháp bảo vệ môi trường, là cách giảm thải gây hiệu ứng nhà kính

Sử dụng năng lượng hạt nhân mở ra một quá trình tiến hóa, trong đó bao gồm cả cuộc cách mạng kỹ thuật mới dẫn tới cơ sở mới về công nghệ và năng lượng cho nền kinh tế Hiện nay năng lượng hạt nhân ngày càng được xem như công nghệ năng lượng cận tái tạo Trong hệ thống năng lượng mới có thể chấp nhận cho việc sử dụng lâu dài và quy mô lớn, năng lượng hạt nhân sẽ thực hiện vai trò không chỉ là nguồn năng lượng hiệu quả cao, mà còn có chức năng kiểm soát mức thải khí CO2 và mức phóng xạ cần thiết Ngược lại có những ý kiến lên án các lò phản ứng nguyên tử là nguy cơ tiềm tàng dẫn đến phá hủy môi trường sống Mặc dù năng lượng hạt nhân mang lại hiệu quả kinh tế cao nhưng các chính phủ điều biết hiểm họa nếu sự cố xảy ra

Trong đề tài này em muốn tìm hiểu về:

 Lịch sử năng lượng hạt nhân

 Nguyên lý tạo ra nguồn năng lượng hạt nhân và ứng dụng

 Điện hạt nhân

 An toàn hạt nhân

 Tình hình năng lượng hạt nhân ở Việt Nam và kết luận

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 4

CHƯƠNG 1: Lịch sử năng lượng hạt nhân 6

CHƯƠNG 2: Nguyên lý tạo ra nguồn năng lượng hạt nhân và ứng dụng 7

CHƯƠNG 3: Điện hạt nhân 9

CHƯƠNG 4: An toàn hạt nhân ………… 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang Hình 2.1: Phản ứng phân hạch 7 Hình 2.2: Phản ứng nhiệt hạch 7 Hình 2.3: Phản ứng phân rã phóng xạ 7 Hình 3.1: Sơ đồ của một nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng áp lực nước … 9 Hình 3.2: Nguồn nguyên liệu của nhà máy điện hạt nhân 10 Hình 4.1: Nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp sự cố sóng thần 12 Hình 5.1: Mô hình nhà máy điện hạt nhân đầu tiên Việt Nam 14

NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ 3

Chương 1:

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Lịch sử của năng lượng hạt nhân khởi đầu với việc xây dựng mô hình nguyên tử Năm

1912, nhà vật lý Ernest Rutherford(1871-1937) người Anh, sau khi phát hiện nhân nguyên tử đã cùng các nhà vật lý Niels Bohr(1885-1962) người Đan Mạch đề xuất một

mô hình nguyên tử: Nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương được bao quanh bởi các electron Năm 1913, Rutherford phát hiện ra proton Năm 1932, nhà vật lý James Chadwick (1891-1974) người Anh phát hiện ra nơtron

Năm 1939, nhà vật lý Frederic Joliot-Curie(1900-1958) người Pháp cùng với các trợ

lý là Lew Kowaski và Hans Von Halban đã chứng minh rằng hiện tượng phân rã hạt nhân(phân hạch) urani kéo theo sự tỏa nhiệt rất lớn Việc phát hiện ra phản ứng dây chuyền sau này cho phép khai thác năng lượng hạt nhân

Trong thời gian Đại chiến thế giới lần thứ II (1939-1945), các nghiên cứu về hiện tượng phân hạch được tiếp tục tiến hành ở Mỹ, với sự tham gia của các nhà khoa học từ Châu Âu di cư sang đó Kế hoạch Mahattan được phát động với mục đích chế tạo vũ khí hạt nhân mà hệ quả là các vụ nổ hạt nhân ở hai thành phố Hiroshima và Nagasaki( Nhạt Bản) vào tháng 8 năm 1945

Ngay sau chiến tranh, những nghiên cứu về năng lượng phân hạch được tiếp tục tiến hành để sử dụng cho mục đích dân sự Ở Pháp, Ủy hội năng lượng nguyên tử Pháp được thành lập vào năm 1945 Nhiệm vụ của cơ quan nghiên cứu này là giúp Pháp làm chủ được nguyên tử trong các lĩnh vực nghiên cứu, y tế, năng lượng, công nghiệp, an ninh, quốc phòng

6

Chương 2:

NGUYÊN LÝ TẠO RA NGUỒN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 2.1 Khái niệm

Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặt dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã hạt nhân

2.2 Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa

nhiệt Tổng khối lượng sản phẩm không

bằng tổng khối lượng 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 Khi một nơtron bắn

phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành

hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo

việc giải phóng năng lượng ở dạng động

năng, bức xạ gamma và phát ra các nơtron

tự do này tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác để tạo ra phản hạt nhân dây chuyền Hình 2.1: Phản ứng phân hạch

2.3 Phản ứng tổng hợp hạt nhân

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 Không như phản ứng phân hạch, phản

ứng này chỉ sinh ra năng lượng khoảng 18MV

Nhưng ưu điểm là nguyên liệu rẻ tiền hơn

Uranium

Hình 2.2: Phản ứng nhiệt hạch

2.4 Phân rã 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)

Hình2.3: Phản ứng phân rã 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 như ánh sáng nhưng năng lượng lớn 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 thành các mãnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra nơtron và một số cơ bản khác, cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân

Trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân điều có sự hụt khối lượng, tức là tổng của các hạt tao thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng 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=298000000m/s là vận tốc ánh trong chân không

2.5 Ứng dụng nguồn năng lượng hạt nhân

 Chế tạo bom nguyên tử - Vũ khí hạt nhân

 Tạo nguồn năng lượng cung cấp cho nhà máy điện hạt nhân

 Tạo nguồn năng lượng cung cấp cho các phương tiện vận chuyển hiện đại

8

Chương 3:

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HẠT NHÂN 3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 phần:

 Lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch, cung cấp năng lượng tao ra hơi nước

 Máy phát điện chạy bằng hơi nước

 Turbin, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện

 Bộ ngưng tụ: làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng

Hình 3.1: Sơ đồ của một nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng áp lực nước.

Trong lò phản ứng, lõi của các thanh nhiên liệu uranium tác động lẫn nhau để tạo ra nhiệt độ 22000C Quy trình bắt đầu bằng nhiệt lượng đun sôi nước, nước biến thành hơi,

và hơi được sử dụng để quay turbine nối liền với một máy phát điện Sau khi đi qua turbine, hơi nước được làm nguội và ngưng tụ thành nước nhiệt độ thấp Nước nguội đưa trở lại lò phản ứng và quy trình được lặp lại

3.2 Nguồn nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân.

Hiện nay chỉ có những lò phản ứng chạy bằng nước nhẹ là thịnh hành Nhiên liệu của những lò ấy là đồng vị 235U của nguyên tử uranium và những đồng vị khả phân nhân tạo như là plutonium 239Pu

Một nhà máy điện hạt nhân chỉ là một khâu trong chuỗi công nghệ phức tạp gọi là chu trình nhiên liệu Chu trình đó gồm 7 khâu:

 Khai thác quặng Uranium

 Xử lý quặng uranium

 Làm giàu quặng đồng vị 235U

 Chế tạo thanh nhiên liệu

 Phát xạ trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân

 Xử lý nhiên liệu đã được phát xạ

 Xử lý phế liệu hạt nhân

Hình 3.2: Nguồn nguyên liệu của nhà máy điện hạt nhân

Hiện nay nhu cầu về urani trên thế giới là khoảng 60.000 tấn/năm, trong đó lượng sản xuất hàng năm chỉ dừng ở mức 50-60% nhu cầu, phần còn lại được đáp ứng bởi các nguồn thứ cấp ( urani tồn kho dân sự hoặc quân sự, urani tái xử lý và urani nghèo tái làm giàu) Trữ lượng urani trên thế giới là 4743000 triệu tấn, nếu khai thác như năm 2008 là

43853 tấn, thì hơn 100 năm nữa nếu không phát hiện thêm mỏ để khai thác thì urani sẽ cạn kiệt

3.3 Công nghệ điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ 3 (lò phản ứng áp lực châu Âu – EPWR- European Pressuried Water Reactor)

Loại lò này được khởi công xây dựng 2005 tại Phần Lan dự kiến hoàn thành 2009, có công suất lớn nhất thế giới1600MW, do Pháp và Đức hợp tác nghiên cứu Ưu điểm là độ

an toàn cao, phòng được sự cố nóng chảy tâm lò, chịu được biến cố từ bên ngoài: máy bay rơi, động đất, giá điện năng rẻ, vận hành dễ dàng, công nghệ xử lý tín hiệu số được đưa vào hệ điều khiển, ít chất thải phóng xạ, có đời sống dài

Các lò đang vận hành trên thế giới chủ yếu thuộc loại thế hệ thứ hai Một số nước đã xây dựng hoặc đang có kế hoạch thay thế các lò hết hạn sử dụng bằng loại lò thế hệ thứ 3

và các nước đang hợp tác nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ tư với nhiều ưu việt hơn (an toàn hơn, lượng chất thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân)

3.4 Ưu và nhược điểm của điện hạt nhân.

3.4.1 Ưu điểm

 Cung cấp điện năng và nhiệt năng cho đô thị và công nghiệp

 Hơi nước từ nhà máy điện hạt nhân có thể dùng vào mọi sinh hoạt cần hơi nước

 Chiếm diện tích ít hơn so với những nguồn sản xuất điện năng khác như thủy điện, nhiệt điện… vì không cần đến bãi dự trữ nhiên liệu

 Lò phản ứng hạt nhân không thải khí nhà kín gây ô nhiễm môi trường, giúp kiềm chế được mối nguy hiểm nóng lên toàn cầu

 Năng lượng hạt nhân đảm bảo sự phát triển bền vững

 Dùng trong giao thông vận tải, cung cấp nặng lượng cho tàu thủy, tàu ngầm…

 Khử muối trong nước biển và nước bị ô nhiễm

 Sản xuất khí hydro nhờ điện phân nước bằng điện hạt nhân cho năng suất cao

3.4.2 Nhược điểm

 Chất thải phóng xạ là vấn đề chưa được giải quyết

 Rủi ro cao, việc xây dựng một nhà máy với độ an toàn 100% là không thể

10

 Uranium là nguồn tài nguyên khan hiếm, dự trữ Uranium ước tính chỉ đủ cho từ

30 đến 60 năm tới tùy thuộc vào nhu cầu thực tế

 Khung thời gian cần thiết cho các thủ tục, lên kế hoạch và xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới là trong khoảng từ 20-30 năm tại các nền dân chủ phương Tây

Chương 4:

AN TOÀN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

4.1 Những vụ tai nạn kinh hoàn do nhà máy hạt nhân gây ra

1 Vụ Mỹ ném bom nguyên tử xuống 2 thành phố của Nhật là Hiroshima và

Nagasaki

2 Vụ Masaky ngày 29-09-1957 tại Nga

3 Vụ Windscale ngày 10-10-1957 tại Anh

4 Vụ Three Miles Island ngày 28-03-1979 tại Mỹ

5 Vụ nổ nhà máy Chernobyl ngày 26-04-1986 tại Ukraina

6 Mới đây nhất là vụ nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp sự cố do sóng thần gây ra

Hình 4.1: Nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp sự cố sóng thần.

7 Theo thống kê thì nguyên nhân gây ra các sự cố thảm họa hạt nhân chỉ 20% do lỗi

kỹ thuật của thiết bị, 65% là lỗi của con người, 15% là lỗi kết hợp do thiết bị và do vận hành của con người

4.2 Vấn đề xử lý chất thải hạt nhân

4.2.1 Đặc điểm chất thải hạt nhân

Chất thải hạt nhân có những đồng vị phóng xạ có thể tồn tại hàng triệu năm Thông thường một nhà máy điện hạt nhân có thể hoạt động trong vài chục năm Sau khi đóng cửa, người ta phải tiến hành hàng loạt các biện pháp cần thiết

 Quản lý an toàn các vật liệu hạt nhân

 Quản lý an toàn các chất thải hạt nhân và phi hạt nhân

 Khử độc đối với các chất phóng xạ và phi phóng xạ

 Tháo dỡ nhà máy

 Phá hủy các công trình để phục hồi cảnh quan môi trường

4.2.2 Các phương pháp xử lý chất thải hạt nhân.

a) Đưa vào không gian: Nỗi lo về chất thải hạt nhân sẽ tan biến và không thể gây

hại cho con người nếu chúng ta có thể đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “ thả” vào mặt trời

b) Chôn cất dưới đất: Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu dưới lòng đất là một

lựa chọn ưa thích của nhiều quốc gia

c) Chôn lấp dưới đáy biển: Phần lớn đáy của các đại dương đều cấu tạo từ lớp đất

sét dày và nặng, một nguyên liệu hoàn hảo để hấp thụ phóng xạ của các chất thải hạt nhân phát xạ

d) Rút ngắn chu kỳ phân rã: Hiện nay một số nhà khoa học đang tính tới việc giảm

chu khỳ bán rã của các chất thải phóng xạ, qua đó, xử lý nhanh chóng các chất này Phương pháp này mới chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm và chỉ có khả năng áp dụng ở giai đoạn xử lý ban đầu của chất thải hạt nhân

12

e) Tái chế chất thải hạt nhân: Uranium được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân

chỉ lấy 5% năng lượng trong khi các nhà máy điện nguyên tử vẫn chưa thể tái sử dụng nhiên liệu này Các nhà khoa học ở ĐH Edinburth (Scotland) đã nghên cứu sáng chế ra phân tử mạch vòng, có khả năng “ăn” phần lớn các ion khi tiếp xúc với chất uranium Nhờ vậy, cấu trúc của uranium sẽ bị suy yếu giúp thanh nhiên liệu đã cháy dễ dàng phản ứng với các chất có khả năng để tách lọc hơn ra khỏi chất thải, không gây ô nhiễm môi trường