Năng lượng hạt nhân hay năng lượng nguyên tử 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, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ. Tất cả các lò phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhau đều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy.
Trang 1Tác giả: Vương Vinh Hưng - 12A1
Trang 2ĐIỆN HẠT NHÂN
1. Sơ lược về năng lượng hạt nhân và điện hạt nhân
Năng lượng hạt nhân hay năng lượng nguyên tử 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, mặc dù các phương pháp khác có thể bao
gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ Tất cả các lò phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhau đều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy
Điện hạt nhân là một dạng của nhiệt điện
Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là một hệ thống thiết bị điều kiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây truyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng ) truyền tới thiết bị sinh điện năng như turbine để sản xuất điện năng
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
Các loại máy điện nguyên tử phổ biến hiện nay thực tế là nhà máy nhiệt điện, chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng Đa số thực hiện phản ứng dây chuyền có điều khiển 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 hạt nhân khối lượng trung bình, các nơtron và năng lượng nhiệt rất lớn Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mát khép kín (để tránh tia phóng xạ rò rỉ ra ngoài) qua các máy trao đổi nhiệt, đun sôi nước, tạo ra điện năng
Khi quá trình sản xuất và xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên
Trang 3Nhà máy điện nguyên tử (nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài người do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Trên thế giới đang có khoảng 447 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động Cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới và sẽ tiếp tục tăng do sự cạn kiệt của các dạng năng lượng truyền thống (Thủy năng, than, dầu, khí, )
Sơ đồ cấu tạo của một nhà máy điện hạt nhân:
Tòa nhà chính ( Containment building – C ) gồm lò phản ứng ( Reactor Vessel ), lò sinh hơi ( Steam generator ), máy áp lực ( Pressurizer ), bơm làm mát ( Reactor Coolant Pump)
Nhà turbine ( Turbine building – A ) gồm turbine, nhà phát ( Generator ), bình ngưng tụ ( Condenser ), máy nén khí ( Air Compressor ), bơm,…
Nhà phụ ( Auxiliarry building – B ) gồm phòng điều khiển ( control room ), máy phát dự phòng,
Nhà nhiên liệu ( Fuel building – D ) gồm nhà chứa nhiên liệu đã qua sử dụng ( spent fuel ) và chưa sử dụng ( new fuel ) cho lò phản ứng
Lò phản ứng hạt nhân được chia thành nhiều loại, một số loại chính là:
PWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt
BWR - Lò nước sôi
Trang 4PHWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt và làm chậm
GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt
AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt
FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat năng lượng lớn (notron nhanh)
2. Lịch sử phát triển của điện hạt nhân:
Lịch sử của điện hạt nhân gắn với lịch sử phát triển của năng lượng hạt nhân
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 nhânuranium 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, Vương quốc 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
Tại Hoa Kỳ, nơi mà Fermi và Szilard di cư đến đây, những kiến nghị trên đã dẫn đến sự ra đời của lò phản ứng đầu tiên mang tênChicago 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
Trang 5Vào nửa sau thập niên 1940, trước khi ra đời quả bom nguyên tử đầu tiên của Liên Xô (thử nghiệm diễn ra ngày 29 tháng 8 năm 1949), các nhà bác học Liên Xô đã bắt đầu xây dựng dự án đầu tiên để khai thác năng lượng hạt nhân với mục đích hòa bình, đây là những hướng đi quan trọng để giải quyết về vấn
đề năng lượng đang rất hết sức cấp thiết trong tương lai
Năm 1948, theo đề xuất của I V Kurchatov - người đi đầu trong lĩnh vực hạt nhân của Liên Xô - ông dẫn đầu nhóm nghiên cứu của mình bắt đầu những nghiên cứu đầu tiên về việc áp dụng thực tế năng lượng hạt nhân để thu được nguồn năng lượng điện
Vào tháng 5 năm 1950 ở gần ngôi làng Obninsk thuộc tỉnh Kaluga (Liên
Xô cũ) những công việc để xây dựng nhà máy điện nguyên tử đầu tiên được bắt đầu
Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới công suất 5 MW đã hòa vào mạng lưới điện quốc gia ngày 27 tháng 6 năm 1954 ởLiên Xô, tại thành
phố Obninsk thuộc tỉnh Kaluga Tới năm 1958 thì lần lượt các nhà máy khác đi vào hoạt động, đầu tiên là tổ máy số 1 nhà máy điện nguyên tử Sibirskaya với công suất 100 MW, và về sau toàn bộ dự án được hoàn thành thì công suất lên tới 600 MW Cũng trong năm đó nhà máy điện nguyên tử Beloyarskaya cũng được triển khai xây dựng, nhưng mãi tới ngày 26 tháng 4 năm 1964 thì tổ máy phát điện đầu tiên mới đi vào hoạt động Tới tháng 8 năm 1964 thì khối 1
của nhà máy điện nguyên tử Novovoronezhskaya với công xuất 210 MW mới được khởi công Khối 2 với công suất 365 MW được khởi công vào tháng 12 năm 1969 Tiếp đến năm 1973 người ta khởi công nhà máy điện nguyên tử Leningradskaya
Sau Liên Xô thì các nhà máy điện hạt nhân khác cũng được xây dựng, với nhà máy điện hạt nhân Calder Hall ban đầu cũng chỉ có công suất 46 MW được đưa vào vận hành ngày 27 tháng 8 năm 1956 tại Anh Sau đó 1 năm, tại
Mỹ nhà máy điện hạt nhân Beaver Valley với công suất 60 MW cũng được bắt đầu xây dựng tại Shippingport, Pennsylvania
Năm 1979 xảy ra một sự cố rất nghiêm trọng tại Mỹ tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island Sau sự kiện đó Hoa Kỳ đã ngừng xây dựng các lò phản ứng, trong dự kiến tới năm 2017 sẽ xây dựng xong 2 lò phản ứng mới trong khu nhà máy cũ
Trang 6Vào năm 1986 xảy ra một thảm họa hạt nhân là sự cố nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl Ngoài những hậu quả trực tiếp như gây ô nhiễm phóng xạ các vùng lân cận, nó còn ảnh hưởng tới sự phát triển năng lượng hạt nhân Điều này khiến toàn bộ các chuyên gia trên thế giới phải xem xét lại các vấn đề an toàn hạt nhân và suy nghĩ về sự hợp tác quốc tế với mục đích nâng cao an toàn trong khai thác, sử dụng năng lượng hạt nhân
Ngày 15 tháng 5 năm 1989 tại cuộc họp sáng lập tổ chức tại Moskva, người
ta đã thành lập Hiệp hội Thế giới các nhà vận hành nhà máy điện hạt
nhân (WANO), một hiệp hội chuyên nghiệp quốc tế liên kết các tổ chức vận hành các nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới Hiệp hội đã đề ra nhiệm vụ soạn thảo và đưa ra kế hoạch phát triển, vận hành an toàn cho ngành điện hạt nhân trên toàn thế giới
Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất tại châu Âu — Nhà máy điện nguyên tử Zaporizhskaya tại thành phố Enerhodar (tỉnh Zaporizhia,Ukraina), được khởi công vào năm 1980, tới năm 1996 bắt đầu hoạt động với 6 tổ máy có tổng công suất 6 GW
Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới — Nhà máy điện Kashiwazaki-Kariwa (vận hành từ năm 2008) tại Nhật Bản, xây dựng tại thành
phố Kashiwazaki, tỉnh Niigata Người ta đưa vào vận hành 5 lò phản ứng nước sôi (BWR) và 2 lò phản ứng nước sôi tân tiến(ABWR), tổng công suất là 8,212 GW
3. Lợi ích và Hạn chế:
3.1 Lợi ích:
Năng lượng tạo ra lớn đáp ứng nhu cầu đất nước: Phản ứng hạt nhân giải phóng nhiều hơn một triệu lần năng lượng so với thủy điện hoặc năng lượng gió Vì vậy, một lượng điện năng lớn có thể được tạo ra Hiện nay, có khoảng 10-15% sản lượng điện của thế giới được tạo ra bằng năng lượng hạt nhân Bạn
có biết với một kg uranium-235 có thể sản xuất ra một lượng năng lượng điện tương đương 1.500 tấn than
Là nguồn năng lượng xanh: Ưu điểm lớn nhất của nguồn năng lượng này là không tạo ra các khí thải nhà kính (như carbon dioxide, methane, ozone,
Trang 7chlorofluorocarbon) trong phản ứng hạt nhân Khí thải nhà kính là một mối đe dọa lớn cho môi trường sống, chúng gây ra sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Phản ứng hạt nhân không tạo ra các khí thải, nên có rất ít ảnh hưởng đến môi trường
Hạn chế ô nhiễm không khí: Việc đốt nhiên liệu như than đá tạo ra carbon dioxide và khói Đó là một mối đe dọa đối với môi trường cũng như đời sống con người Sản xuất năng lượng hạt nhân không thải ra khói Vì thế, nó không gây ô nhiễm không khí trực tiếp Tuy nhiên, xử lý chất thải phóng xạ là một vấn đề lớn hiện nay
Nhiên liệu độc lập:Lò phản ứng hạt nhân sử dụng uranium làm nhiên liệu Phản ứng phân hạch của một lượng nhỏ uranium có thể tạo ra một năng lượng lớn Hiện nay, nguồn dự trữ uranium được tìm thấy trên Trái đất dự kiến sẽ đáp ứng được nhu cầu trong 100 năm nữa Sử dụng năng lượng này có thể làm cho nhiều quốc gia có thể độc lập về năng lượng và không phụ thuộc vào việc khai thác những nhiên liệu như than đá
Nếu không có các lỗi của con người hay tai nạn và thiên tai, các lò phản ứng hạt nhân sẽ hoạt động rất hiệu quả trong một thời gian dài Thêm vào đó, sau khi xây dựng, việc vận hành nhà máy đòi hỏi rất ít lao động
Thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội và chăm sóc sức khoẻ con người: Ứng dụng năng lượng bức xạ là một lĩnh vực có nhiều ưu việt, đóng góp tích cực cho tăng trưởng GDP thông qua việc nâng cao năng suất, chất lượng, hạ giá thành sản phẩm trong các ngành kinh tế ứng dụng năng lượng bức xạ sẽ được triển khai rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị bệnh góp phần phục vụ tốt hơn công tác chăm sóc sức khoẻ nhân dân
3.2 Hạn chế:
Bức xạ: Sự giải phóng ngẫu nhiên các bức xạ có hại là một trong những hạn chế lớn nhất của năng lượng hạt nhân Quá trình phân hạch giải phóng bức xạ, nhưng chúng được kiểm soát trong một lò phản ứng hạt nhân Nếu các biện pháp an toàn không được đảm bảo, các bức xạ có thể tiếp xúc với môi trường sẽ dẫn đến những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và con người
Không thể tái tạo: Mặc dù chúng tạo ra một lượng lớn năng lượng, các lò phản ứng hạt nhân vẫn phụ thuộc vào uranium Đây là một nhiên liệu có thể bị cạn kiệt Sự cạn kiệt của nó lại có thể gây ra một vấn đề nghiêm trọng Các lò phản ứng sẽ phải ngừng hoạt động, chúng sẽ vẫn chiếm một diện tích lớn đất đai và làm ô nhiễm môi trường
Trang 8Thời gian và chi phí lớn: Tuy một lượng lớn năng lượng có thể được sản xuất
từ một nhà máy điện hạt nhân, nhưng nó đòi hỏi chi phí đầu tư lớn Cần đến khoảng 10-15 năm để xây dựng xong một nhà máy điện hạt nhên Việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân có thể không khả thi
Chất thải phóng xạ: Các chất thải được tạo ra sau phản ứng phân hạch chứa các nguyên tố không ổn định và phóng xạ cao Nó rất nguy hiểm đối với môi trường cũng như sức khỏe con người và sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian dài Nó cần được xử lý cẩn thận và phải cách biệt với môi trường sống Độ phóng xạ của các nguyên tố này sẽ giảm trong một thời gian, sau đó phân hủy
Do đó, người ta phải được tích trữ và xử lý một cách cẩn thận Việc tích trữ các nguyên tố phóng xạ trong một thời gian dài là rất khó khăn
Tai nạn nghiêm trọng: Cho đến này, đã có hai vụ tai nạn nhà máy điện hạt nhân thảm khốc xảy ra: thảm họa Chernobyl xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (1986) tại Ukraine, và thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi (2011) tại Nhật Bản Sau các sự cố, một lượng lớn các bức xạ đã bị phát tán vào môi trường, dẫn đến những thiệt hại về người, thiên nhiên và đất đai Người ta không thể phủ nhận khả năng lặp lại những thảm họa này trong tương lai
Vận chuyển nhiêu liệu và chất thải: Việc vận chuyển nhiên liệu uranium và các chất thải phóng xạ là rất khó khăn Uranium phát ra một số bức xạ, do đó,
nó cần phải được xử lý cẩn thận Chất thải của quá trình sản xuất hạt nhân còn nguy hiểm hơn và cần được bảo vệ tốt hơn Tất cả các phương tiện vận chuyển chúng đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn quốc tế Mặc dù chưa có tai nạn hoặc sự
cố tràn nào được thống kê, nhưng quá trình vận chuyển vẫn còn là thách thức
Trang 9( ảnh: khung cảnh sau thảm họa Chernobyl năm 1986 )
Trang 10( ảnh: cảnh hoang tàn sau 5 năm thảm họa hạt nhân Fukushima )
4 Tình hình sử dụng điện hạt nhân:
4.1 Tình hình trên thế giới:
Phát triển điện nguyên tử tập trung chủ yếu ở các nước phát triển hơn 50%
số lò phản ứng tập trung ở Bắc Mĩ và Tây Âu, trong khi chỉ có 10% tập trung ở các nước đang phát triển Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế
(IAEA), hiện có hơn 400 lò phản ứng năng lượng hạt nhân thương mại đang hoạt động ở 31 nước, với công suất trên 370.000 MW Bên cạnh dó, khoảng 70
lò phản ứng đang trong quá trình xây dựng
Trang 11Các nhà máy điện hạt nhân cung cấp hơn 11% sản lượng điện năng của thế giới một cách liên tục, nguồn phụ tải đáy đáng tin cậy, không gây phát thải khí CO2 Năm mươi sáu nước đang vận hành khoảng 240 lò phản ứng nghiên cứu
và hơn 180 lò phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng cho khoảng 150 tàu và tàu ngầm
Mỹ, Nga và Pháp được xem là các cường quốc điện hạt nhân nổi bật nhất
Mỹ đứng đầu với khoảng 104 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành với tổng công suất phát điện đạt 101.465 MW và năm lò đang xây dựng với tổng công suất dự kiến là 5.633 MW
Vị trí thứ hai thuộc về Pháp với 58 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành sản xuất với tổng công suất phát điện đạt 63.130 MW và một lò đang xây dựng loại công suất lớn nhất hiện nay với công suất phát điện 1.600 MW
Tiếp theo là Nga với 38 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành với tổng công suất phát điện đạt 23.643 MW và 10 lò đang xây dựng với tổng công suất dự kiến là 8.382 MW
Hiện có 16 nước có sản lượng điện hạt nhân chiếm 1/4 tổng sản lượng điện trở lên Khoảng 1/3 nguồn điện năng của của Bỉ, CH Czech (Séc), Hungary, Slovakia, Thụy Điển, Thụy Sỹ, Slovenia và Ukraine, Hàn Quốc, Bungari và Phần Lan là từ năng lượng hạt nhân Còn Hoa Kỳ, Anh, Tây Ban Nha và Liên bang Nga có gần 1/5 nguồn điện năng từ năng lượng hạt nhân
Nhật Bản từng dựa vào năng lượng hạt nhân (đáp ứng hơn 1/4 tổng sản lượng điện) và dự kiến sẽ quay trở lại mức đó Trong số các nước không còn nhà máy điện hạt nhân hoạt động, Italy và Đan Mạch có khoảng 10% điện năng là mua điện hạt nhân
Căn cứ vào báo cáo về tình trạng phát triển công nghiệp năng lượng hạt nhân vào năm 2014 thì sự phát triển đó đang có xu hướng giảm dần Đỉnh điểm của
sự phát triển được ghi nhận vào năm 2006 với mức năng lượng điện là 2,66 TW