Năng lượng nguyên tử

Tài liệu tham khảo khoa học tự nhiên vật lý: Năng lượng nguyên tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘIKHOA VẬT LÍ

TIỂU LUẬN

NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ

Giáo viên: Nguyễn Thị Vân Anh Sinh viên: Lê Văn Đức

Hà Nội, 2011

Mở đầu

Khái niệm nguyên tử đã tồn tại trong nhiều thế kỉ Nhưng chỉ gần đây, chúng ta mới bắt đầu hiểu được sức mạnh khủng khiếp chứa trong khối lượng nhỏ xíu ấy Trong những năm ngay trước và trong Thế chiến thứ hai, nghiên cứu hạt nhân chủ yếu tập trung vào phát triển các loại vũ khí phòng thủ Sau đó, các nhà khoa học tập trung vào các công dụng hòa bình của công nghệ hạt nhân Một công dụng quan trọng của năng lượng hạt nhân là phát điện Sau nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học đã ứng dụng thành công công nghệ hạt nhân cho nhiều mục đích khoa học, y khoa, và công nghiệp khác Chúng ta bắt đầu hình thành tư duy về nguyên tử với ý tưởng của các nhà triết học Hi Lạp cổ đại Sau đó, chúng ta biết thêm về nguyên tử và năng lượng của nó nhờ những nhà khoa học đầu tiên khám phá ra hiện tượng phóng xạ Bây giờ, chúng ta biết đến công dụng hiện đại của nguyên tử là một nguồn năng lượng vô giá Chúng ta có thể thấy sự phát triển chóng mặt của khoa học nguyên tử cũng như hiểu biết của con người về thế giới vô cùng bé cấu tạo lên thế giới của chúng ta.

Trong khuôn khổ bài tiểu luận, ta không đi sâu vào tìm hiểu cơ chế, bản chất nguyên tử hay sự sản sinh năng lượng hạt nhân mà đưa đến một cái nhìn tổng quan về năng lượng hạt nhân bao gồm lịch sử, bản chất, sự phát triển và ứng dụng công nghệ hạt nhân trên thế giới cũng như tại Việt Nam.

I.Lịch sử hình thành và sử dụng năng lượng hạt nhân.

Việc theo đuổi năng lượng hạt nhân cho phát điện đã bắt đầu ngay sau khi phát hiện ra một số yếu tố phóng xạ trong đầu thế kỷ 20 Tuy nhiên, giấc mơ của khai thác "năng lượng nguyên tử" đã bị phản đối khá mạnh, thậm chí nó đã được bác bỏ như cha đẻ của vật lý hạt nhân Ernest Rutherford đã nói nó là "ánh trăng" Tuy nhiên, tình trạng này đã thay đổi trong cuối thập niên 1930, với sự phát hiện của phản ứng phân hạch hạt nhân

Năm 1932, James Chadwick khám phá ra nơtron , ngay lập tức được công nhận là một công cụ tiềm năng cho thử nghiệm hạt nhân vì nơtron có thể vượt qua hàng rào Coulomb do nó không mang điện Thử nghiệm với bắn phá các vật liệu bằng các nơtron dẫn đến việc Frédéric và Irène Joliot-Curie khám phá ra các chất phóng xạ mới năm 1934, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển những hiểu biết của khoa học về hạt nhân nguyên tử cũng như hiện tượng phóng xạ.

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 người Đức là Otto Hahn và Fritz Strassmann, cùng với các nhà vật lý người Úc Lise Meitner và Otto Robert Frisch cháu của Meitner , đã thực hiện các thí nghiệm tạo ra các sản phẩm của urani 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, và đây là một kết quả đáng ngạc nhiên Rất nhiều nhà khoa học, trong đó có Leo Szilard là một trong những người đầu tiên nhận thấy rằng nếu các phản ứng phân hạch sinh ra thêm nơtron, thì một phản ứng hạt nhân dây chuyền kéo dài là có thể tạo ra được Các nhà khoa học tâm đắc điều này ở một số quốc gia (như Hoa Kỳ, Anh, Pháp, Đức và Liên Xô) đã đề nghị với chính phủ của họ ủng hộ việc nghiên cứu phản ứng phân hạch hạt nhân.

H1 Lò phản ứng B trong dự án Manhattan

Tại Hoa Kỳ, nơi mà Fermi và Szilard di cư đến đây (năm 1938, để tránh sự truy đuổi của Đức quốc xã Fermi đã đưa gia đình sang Mĩ sinh sống sau khi nhận giải thưởng Nobel), những kiến nghị trên đã dẫn đến sự ra đời của lò phản ứng đầu tiên mang tên Chicago Pile-1, đạt được khối lượng tới hạn vào ngày 2 tháng 12 năm 1942 Công trình này trở thành một phần của dự án Manhattan, là một dự án xây dựng các lò phản ứng lớn ở Hanford Site (thành phố trước đây của Hanford, Washington) để làm giàu plutoni sử dụng trong các vũ khí hạt nhân đầu tiên được thả xuống các thành phố Hiroshima và Nagasaki ở Nhật Bản Việc cố gắng làm giàu urani song song cũng được tiến hành trong thời gian đó.

Sau thế chiến thứ 2, mối đe dọa về việc nghiên cứu lò phản ứng hạt nhân có thể là nguyên nhân thúc đẩy việc phổ biến công nghệ và vũ khí hạt nhân nhanh chóng, kết hợp với những đều mà các nhà khoa học nghĩ, có thể là một đoạn đường phát triển dài để tạo ra bối cảnh mà theo đó việc nghiên cứu lò phản ứng phải được đặt dưới sự kiểm soát và phân loại chặt chẽ của chính phủ Thêm vào đó, hầu hết việc nghiên cứu lò phản ứng tập trung chủ yếu vào các mục đích quân sự.

Đến nay, năng lượng hạt nhân không chỉ được biết đến qua 2 quả bom tại Nhật Bản năm 1945, mà còn được biết đến là một nguồn năng lượng vô tận duy trì sự sống của con người, bởi lẽ năng lượng mặt trời-nguồn năng lượng vô tận đến Trái Đất có bản chất là năng lượng hạt nhân

Ngày 27 tháng 6 năm 1954, nhà máy điện hạt nhân Obninsk của Liên Xô trở thành nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới sản xuất điện hòa vào mạng lưới với công suất không tải khoảng 5 MW điện.

Theo thống kê, năng lượng hạt nhân cung cấp khoảng 6% năng lượng của thế giới, tính riêng điện hạt nhân chiếm khoảng 13-14% sản lượng điện thế giới Trong đó chỉ tính riêng Mỹ, Pháp, Nhật thì sản lượng điện hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu dung điện của 3 nước này.

Một trong những tổ chức đầu tiên phát triển năng lượng hạt nhân là Hải quân Hoa Kỳ, họ sử dụng năng lượng này trong các bộ phận đẩy của tàu ngầm vàhàng không mẫu hạm Nó được ghi nhận là an toàn hạt nhân, có lẽ vì các yêu cầu nghiêm ngặt của đô đốc Hyman G Rickover Hải quân Hoa Kỳ vận hành nhiều lò phản ứng hạt nhân hơn các đội quân khác bao gồm cả quân đội Liên Xô, mà không có các tình tiết chính được công khai Tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân

đầu tiên USS Nautilus (SSN-571) được hạ thủy tháng 12 năm 1954 Hai tàu ngầm của Hoa Kỳ khác là USS Scorpion vàUSSThresher đã bị mất trên biển Hai tàu

này bị mất do hỏng các chức năng hệ thống liên quan đến các lò phản ứng Những vị trí này được giám sát và không ai biết sự rò rỉ xảy ra từ các lò phản ứng trên boong.

Nhà máy năng lượng nguyên tử thương mại đầu tiên trên thế giới, Calder Hall tại Sellafield, Anh được khai trương vào năm 1956 với công suất ban đầu là 50 MW (sau này nâng lên 200 MW) Còn nhà máy phát điện thương mại đầu tiên vận hành ở Hoa Kỳ là lò phản ứng Shippingport (Pennsylvania, tháng 12 năm 1957).

H2.Nhà máy điện hạt nhân Ikata H3.Tàu sử dụng năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân có vai trò và tiềm năng to lớn như thế, vậy bản chất và cơ chế tạo thành năng lượng hạt nhân là như thế nào?

II.Năng lượng hạt nhân và công nghệ lò phản ứng.

1.Năng lượng hạt nhân.

Nguồn gốc năng lượng hạt nhân ta nói ở đây chính là năng lương sinh ra trong phản ứng phân hạch hạt nhân.

Phản ứng phân hạch hạt nhân – còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử - là một quá trình vật lý hạt nhân và hoá học hạt nhân mà trong đó hạt nhân nguyên tử

bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt nơtron , photon tồn tại dưới dạng các tia gama, tia beta và tia alpha Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng kể dưới dạng tia gama và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch)

VD:

Năng lượng do phản ứng phân hạch hạt nhân sản sinh ra chính là năng lượng dùng trong nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân Sự phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân.

Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân lớn gấp hàng triệu lần lượng năng lượng tự do có trong một khối lượng nhiên liệu hoá học tương đương như là dầu hoả, làm cho năng lượng hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất hấp dẫn, tuy nhiên, các chất thải hạt nhân thì có mức phóng xạ rất cao và tồn tại rất lâu, hàng thiên niên kỷ Đi kèm với chất lượng rất hấp dẫn trên của các nguồn năng lượng hạt nhân là sự tích tụ chất thải hạt nhân và nguy cơ huỷ diệt rộng lớn của nó hiện là vấn đề chính trị gây nhiều tranh cãi về vũ khí hạt nhân.

0+→→++2

2.Công nghệ lò phản ứng.

Lò phản ứng hạt nhân là một phần trong chu trình năng lượng hạt nhân Quá trình bắt đầu từ khai thác mỏ Các mỏ urani nằm dưới lòng đất, được khai thác theo phương thức lộ thiên, hoặc các mỏ đãi tại chỗ Trong bất kỳ trường hợp nào, khi quặng urani được chiết tách, nó thường được chuyển thành dạng ổn định và nén

chặt như bánh vàng (yellowcake), và sau đó vận chuyển đến nhà máy xử lý Ở đây,

bánh vàng được chuyển thànhurani hexaflorua, loại này sau đó lại được đem đi làm giàu để sử dụng cho các ngành công nghệ khác nhau Urani sau khi được làm giàu chứa hơn 0,7% U-235 tự nhiên, được sử dụng để làm cần nguyên liệu trong lò phản ứng đặc biệt Các cần nguyên liệu sẽ trải qua khoảng 3 chu trình vận hành (tổng cộng khoảng 6 năm) trong lò phản ứng, về mặt tổng quát chỉ có khoảng 3% lượng urani của nó tham gia vào phản ứng phân hạch, sau đó chúng sẽ được chuyển tới một hố nguyên liệu đã sử dụng, ở đây các đồng vị có tuổi thọ thấp được tạo ra từ phản ứng phân hạch sẽ phân rã Sau khoảng 5 năm trong hố làm lạnh, nguyên liệu tiêu thụ nguội đi và giảm tính phóng xạ đến mức có thể xách được, và nó được chuyển đến các thùng chứa khô hoặc đem tái xử lý.

Cũng giống như một số trạm năng lượng nhiệt phát điện bằng nhiệt năng từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các nhà máy năng lượng hạt nhân biến đổi năng lượng giải phóng từ hạt nhân nguyên tử thông qua phản ứng phân hạch.

Khi một hạt nhân nguyên tử dùng để phân hạch tương đối lớn (thường là urani 235 hoặc plutoni-239) hấp thụ nơtron sẽ tạo ra sự phân hạch nguyên tử Quá trình phân hạch tách nguyên tử thành 2 hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn kèm theo động năng (hay còn gọi là sản phẩm phân hạch) và cũng giải phóng tia phóng xạ gamma và nơtron tự do Một phần nơtron tự do này sau đó được hấp thụ bởi các nguyên tử phân hạch khác và tiếp tục tạo ra nhiều nơtron hơn Đây là phản ứng tạo ra nơtron theo cấp số nhân.

Phản ứng dây chuyền hạt nhân này có thể được kiểm soát bằng cách 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 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

Hệ thống làm lạnh giải phóng nhiệt từ lõi lò phân ứng và vận chuyển nhiệt đến bộ phận phát điện từ nhiệt năng này hoặc sử dụng vào những mục đích khác Đặc biệt chất làm lạnh nóng là nguồn nhiệt sẽ được dùng cho các lò nung, và hơi nước nén từ lò nung sẽ làm quay các tuốc bin hơi nước vận hành các máy phát điện

Có nhiều kiểu lò phản ứng khác nhau sử dụng các nguyên liệu, chất làm lạnh và các cơ chế vận hành khác nhau Một vài trong các mẫu này được thiết đạt yêu cầu kỹ thuật Lò phản ứng dùng trong các tàu ngầm hạt nhân và các các tàu hải

quân lớn, ví dụ, thường sử dụng nhiên liệu urani được làm giàu rất cao Việc sử dụng nguyên liệu urani làm giàu rất cao sẽ làm tăng mật độ năng lượng của lò phản ứng và gia tăng hệ số sử dụng của tải lượng nhiên liệu hạt nhân, nhưng giá của nó đắt và có nhiều rủi ro hơn so với các nguyên liệu hạt nhân khác

Một số kiểu lò phản ứng mới dùng cho các nhà máy máy điện hạt nhân, như các lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV, là đối tượng nghiên cứu và có thể được sử dụng để thí nghiệm phát điện trong tương lai Một vài trong số các kiểu mới này đang được thiết kế để đạt được các phản ứng phân hạch sạch hơn, an toàn hơn và ít rủi ro hơn đối với sự gia tăng nhanh chóng các vũ khí hạt nhân Các nhà máy an toàn thụ động (như lò phản ứng ESBWR) đang được xây dựng và các kiểu khác đang được thuyết phục Các lò phản ứng hợp hạch có thể có triển vọng trong tương lai nhằm giảm bớt hoặc loại bỏ những rủi ro liên quan đến phân hạch hạnh nhân.

III.An toàn phóng xạ hạt nhân.

Đi kèm với một nguồn năng lượng rất lớn, các phản ứng hạt nhân còn mang theo nhiều phóng xạ gây nguy hại cho con người và các sinh vật trên trai đất Và việc lưu giữ và thải chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và chưa có một giải pháp thích hợp

An toàn hạt nhân bao gồm các hành động để ngăn ngừa tai nạn hạt nhân và

bức xạ hoặc để hạn chế hậu quả của nó Trách nhiệm về an toàn hạt nhân bao gồm các nhà máy điện hạt nhân cũng như tất cả các cơ sở hạt nhân khác, vận chuyển vật liệu hạt nhân, và sử dụng và lưu trữ các vật liệu hạt nhân cho y tế, công nghiệp, và sử dụng quân sự

Trong quá khứ và hiện tại, chúng ta đã chứng kiến nhiều tai nạn nghiêm trọng về an toàn hạt nhân mà điển hình có thể kể đến như sau:

Thảm họa Chernobyl Thảm hoạ nguyên tử Chernobyl xảy ra vào

ngày 26 tháng 4 năm 1986 khi nhà máy điện nguyên tử Chernobyl ở Pripyat, Ukraina (khi ấy còn là một phần của Liên Xô) bị nổ Đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân Do không có tường chắn, đám mây bụi phóng xạ tung lên từ nhà máy lan rộng ra nhiều vùng phía tây Liên bang Xô viết, Đông và Tây Âu, Scandinav, Anh quốc, và đông Hoa Kỳ Nhiều vùng rộng lớn thuộc Ukraina,Belarus và Nga bị ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn tới việc phải sơ tán và tái định cư cho hơn 336.000 người

Khoảng 60% đám mây phóng xạ đã rơi xuống Belarus Theo bản báo cáo năm 2006 của TORCH, một nửa lượng phóng xạ đã rơi xuống bên ngoài lãnh thổ ba nước cộng hoà Xô viết Thảm hoạ này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp bốn trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima.

H.Mức độ ảnh hưởng của thảm họa Chernobyl.

Gần đây nhất là tai nạn hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima tại Nhật Bản Phõng xạ từ tai nạn của nhà máy điện hạt nhân Fukushima đã và đang lan rộng ra một số vùng trên thế giới, gây ra những hậu quả nghiêm trọng và có nguy cơ trở thánh Chernobyl thứ 2.

Để tránh tai nạn hat nhân thì một vấn đề quan trọng là xử lí dòng chất thải từ các nhà máy năng lượng hạt nhân là nguyên liệu đã qua sử dụng Một lò phản ứng công suất lớn tạo ra 3 mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu đã qua sử dụng mỗi năm Nó bao gồm urani không chuyển hóa được cũng như một lượng khá lớn các nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết là plutoni và curi) Thêm vào đó, có khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch Nhóm actini (urani, plutoni, và curi) có tính phóng xạ lâu dài, trong khi đó các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn hơn.

IV.Năng lượng nguyên tử ở Việt Nam.

Có thể chúng ta sẽ bất ngờ khi biết rằng Việt Nam là một trong những nước đầu tiên trên thế giới tiếp xúc với nguyên tử Năm 1923, viên Radium Hà Nội đã được thành lập với sự giúp đỡ của Viện Radium Paris, mà viện trưởng đấu tiên là bà Marie Curie, nhà khoa học 2 lần được tặng giải thưởng Nobel.(viện Radium Hà Nội nay là Bệnh viện K)

Vào năm 1955-1956, ngành y tế nước ta đã bắt đầu nhập máy xạ trị Coban 60 (là chất đồng vị phóng xạ nhân tạo) để điều trị bệnh ung thư Ngành địa chất, vào những năm 1958-1960, bắt đầu sử dụng phương pháp phóng xạ carôta gama và nơtron để thă dò và đánh giá trữ lượng các mỏ than và mỏ quặng kim loại.

Từ sau ngày giải phóng miền Nam thống nhất đất nước đến nay, việc sử dụng các chất đồng vị phóng xạ phục vụ sản suất và đời sống được phát triển nhanh chóng Từ 3 cơ sở y học hạt nhân tại Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh năm 1975, đến nay đã có gần 30 cơ sở được trang bị máy móc hiện đại và sủ dụng chất đồng vị phóng xạ, một phần nhập từ nước ngoài, một phần sản suất tại lò phản ứng Đà Lạt Trong các ngành nông, ngư nghiệp, kĩ thuật hạt nhân đang được sử dụng để tạo ra giống cây trồng mới, bảo quản lương thực và thực phẩm, đặc biệt là hải sản suất khẩu Trong ngành công nghiệp, kĩ thuật hạt nhân được áp dụng trong việc kiểm tra các công trình xây dựng và giao thông vận tải, trong các nhà máy giấy, xi măng, hóa chất, trong nghiên cứu thủy văn, nghiên cứu sa bồi, trong công nghiệp dầu khí…

Từ nhiều năm nay, với sự quan tâm giúp đỡcủa các chuyên gia của cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế và mọt số nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp,… chúng ta đã nghiên cứu và soạn thảo đề án xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nước ta tại miền Nam Trung bộ.