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: Sinh viên thực hiện: HỒNG TRÍ NGUYỄN HỮU CHỈNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2014 11243006 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà khơng gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cơ Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Và đặc biệt, học kỳ này, Khoa tổ chức cho chúng em tiếp cận với môn học mà theo em hữu ích sinh viên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy tất sinh viên thuộc chuyên ngành Khoa Học Kĩ Thuật khác Đó mơn học “Năng Lượng Và Quản Lý Năng Lượng” Em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Trí tận tâm hướng dẫn chúng em qua buổi học lớp buổi nói chuyện, thảo luận lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học Nếu khơng có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy em nghĩ thu hoạch em khó hồn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy Bài thu hoạch thực khoảng thời gian gần tuần Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học, kiến thức em hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy bạn học lớp để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Tuy có nhiều cố gắng chắn tiểu luận em có nhiều thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn! Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hữu Chỉnh TÓM TẮT TIỂU LUẬN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ Ngày chủ yếu sử dụng nguồn lượng không tái tạo dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên… Cho dù trữ lượng lớn đến đâu dần bị cạn kiệt Trước tình hình nhà khoa học tìm đến nguồn lượng hạt nhân khẳng định hạt nhân giải pháp hữu hiệu cho vấn đề khủng hoảng lượng Trái Đất, hạt nhân giải pháp bảo vệ môi trường, cách giảm thải gây hiệu ứng nhà kính Sử dụng lượng hạt nhân mở trình tiến hóa, bao gồm cách mạng kỹ thuật dẫn tới sở công nghệ lượng cho kinh tế Hiện lượng hạt nhân ngày xem công nghệ lượng cận tái tạo Trong hệ thống lượng chấp nhận cho việc sử dụng lâu dài quy mô lớn, lượng hạt nhân thực vai trị khơng nguồn lượng hiệu cao, mà cịn có chức kiểm sốt mức thải khí CO2 mức phóng xạ cần thiết Ngược lại có ý kiến lên án lị phản ứng nguyên tử nguy tiềm tàng dẫn đến phá hủy môi trường sống Mặc dù lượng hạt nhân mang lại hiệu kinh tế cao phủ điều biết hiểm họa cố xảy Trong đề tài em muốn tìm hiểu về:  Lịch sử lượng hạt nhân  Nguyên lý tạo nguồn lượng hạt nhân ứng dụng  Điện hạt nhân  An toàn hạt nhân  Tình hình lượng hạt nhân Việt Nam kết luận Nguyễn Hữu Chỉnh MỤC LỤC Trang MỤC LỤC CHƯƠNG 1: Lịch sử lượng hạt nhân CHƯƠNG 2: Nguyên lý tạo nguồn lượng hạt nhân ứng dụng CHƯƠNG 3: Điện hạt nhân CHƯƠNG 4: An toàn hạt nhân ………… 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 2.1: Phản ứng phân hạch Hình 2.2: Phản ứng nhiệt hạch .7 Hình 2.3: Phản ứng phân rã phóng xạ Hình 3.1: Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng áp lực nước … Hình 3.2: Nguồn nguyên liệu nhà máy điện hạt nhân 10 Hình 4.1: Nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp cố sóng thần 12 Hình 5.1: Mơ hình nhà máy điện hạt nhân Việt Nam .14 NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ Chương 1: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Lịch sử lượng hạt nhân khởi đầu với việc xây dựng mơ hình ngun tử Năm 1912, nhà vật lý Ernest Rutherford(1871-1937) người Anh, sau phát nhân nguyên tử nhà vật lý Niels Bohr(1885-1962) người Đan Mạch đề xuất mơ hình ngun tử: Nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương bao quanh electron Năm 1913, Rutherford phát proton Năm 1932, nhà vật lý James Chadwick (1891-1974) người Anh phát nơtron Năm 1939, nhà vật lý Frederic Joliot-Curie(1900-1958) người Pháp với trợ lý Lew Kowaski Hans Von Halban chứng minh tượng phân rã hạt nhân(phân hạch) urani kéo theo tỏa nhiệt lớn Việc phát phản ứng dây chuyền sau cho phép khai thác lượng hạt nhân Trong thời gian Đại chiến giới lần thứ II (1939-1945), nghiên cứu tượng phân hạch tiếp tục tiến hành Mỹ, với tham gia nhà khoa học từ Châu Âu di cư sang Kế hoạch Mahattan phát động với mục đích chế tạo vũ khí hạt nhân mà hệ vụ nổ hạt nhân hai thành phố Hiroshima Nagasaki( Nhạt Bản) vào tháng năm 1945 Ngay sau chiến tranh, nghiên cứu lượng phân hạch tiếp tục tiến hành để sử dụng cho mục đích dân Ở Pháp, Ủy hội lượng nguyên tử Pháp thành lập vào năm 1945 Nhiệm vụ quan nghiên cứu giúp Pháp làm chủ nguyên tử lĩnh vực nghiên cứu, y tế, lượng, cơng nghiệp, an ninh, quốc phịng Chương 2: NGUN LÝ TẠO RA NGUỒN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 2.1 Khái niệm Năng lượng hạt nhân loại công nghệ hạt nhân thiết kế để tách lượng hữu ích từ hạt nhân ngun tử thơng qua lị phản ứng hạt nhân có kiểm sốt Phương pháp sử dụng phân hạch hạt nhân, mặt dù phương pháp khác bao gồm tổng hợp hạt nhân phân rã hạt nhân 2.2 Phản ứng phân hạch Phản ứng phân hạch phản ứng tỏa nhiệt Tổng khối lượng sản phẩm không tổng khối lượng ban đầu Khối lượng bị chuyển sang dạng nhiệt xạ điện từ, đồng thời giải phóng lượng lớn hữu ích Khi nơtron bắn phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ kèm theo việc giải phóng lượng dạng động năng, xạ gamma phát nơtron tự tiếp tục bắn phá hạt nhân khác để tạo 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 lượng hạt nhân Một ví dụ thơng dụng tritium deuterium kết hợp để tạo helium nơtron Không phản ứng phân hạch, phản ứng sinh lượng khoảng 18MV Nhưng ưu điểm nguyên liệu rẻ tiền Uranium Hình 2.2: Phản ứng nhiệt hạch 2.4 Phân rã phóng xạ Phóng xạ tượng số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi phát xạ hạt nhân( thường gọi tia phóng xạ) Hình2.3: Phản ứng phân rã phóng xạ Tia phóng xạ chùm hạt mang điện dương hạt anpha, hạt proton; mang điện âm chùm electron( phóng xạ beta); khơng mang điện hạt nơtron, tia gamma( có chất giống ánh sáng ánh sáng lượng lớn nhiều) Sự tự biến đổi hạt nhân nguyên tử, thường gọi phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân Tự phân hạch trình hạt nhân nguyên tử phóng xạ có số khối lớn Ví dụ Uranium tự vỡ thành mãnh hạt nhân kèm theo thoát nơtron số khác, dạng phân rã hạt nhân Trong tự phân hạch phân rã hạt nhân điều có hụt khối lượng, tức tổng hạt tao thành nhỏ khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng hao hụt chuyển hóa thành lượng khổng lồ tính theo công thức tiếng Albert Einstein E=mc E lượng phân rã hạt nhân, m độ hụt khối c=298000000m/s vận tốc ánh chân không 2.5 Ứng dụng nguồn lượng hạt nhân − Chế tạo bom nguyên tử - Vũ khí hạt nhân − Tạo nguồn lượng cung cấp cho nhà máy điện hạt nhân − Tạo nguồn lượng cung cấp cho phương tiện vận chuyển đại Chương 3: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HẠT NHÂN 3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc nhà máy điện hạt nhân gồm phần: − Lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy phản ứng phân hạch, cung cấp lượng tao nước − Máy phát điện chạy nước − Turbin, dùng nước làm quay để chạy máy phát điện − Bộ ngưng tụ: làm lạnh nước, chuyển trở lại thành pha lỏng Hình 3.1: Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng áp lực nước Trong lò phản ứng, lõi nhiên liệu uranium tác động lẫn để tạo nhiệt độ 22000C Quy trình bắt đầu nhiệt lượng đun sôi nước, nước biến thành hơi, sử dụng để quay turbine nối liền với máy phát điện Sau qua turbine, nước làm nguội ngưng tụ thành nước nhiệt độ thấp Nước nguội đưa trở lại lò phản ứng quy trình lặp lại 3.2 Nguồn nhiên liệu nhà máy điện hạt nhân Hiện có lị phản ứng chạy nước nhẹ thịnh hành Nhiên liệu lò đồng vị 235U nguyên tử uranium đồng vị khả phân nhân tạo plutonium 239Pu Một nhà máy điện hạt nhân khâu chuỗi cơng nghệ phức tạp gọi chu trình nhiên liệu Chu trình gồm khâu: − Khai thác quặng Uranium − Xử lý quặng uranium − Làm giàu quặng đồng vị 235U − Chế tạo nhiên liệu − Phát xạ lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân − Xử lý nhiên liệu phát xạ − Xử lý phế liệu hạt nhân − − − − − − − − − − Hình 3.2: Nguồn nguyên liệu nhà máy điện hạt nhân Hiện nhu cầu urani giới khoảng 60.000 tấn/năm, lượng sản xuất hàng năm dừng mức 50-60% nhu cầu, phần lại đáp ứng nguồn thứ cấp ( urani tồn kho dân quân sự, urani tái xử lý urani nghèo tái làm giàu) Trữ lượng urani giới 4743000 triệu tấn, khai thác năm 2008 43853 tấn, 100 năm khơng phát thêm mỏ để khai thác urani cạn kiệt 3.3 Công nghệ điện hạt nhân Nhà máy điện hạt nhân hệ thứ (lò phản ứng áp lực châu Âu – EPWR- European Pressuried Water Reactor) Loại lị khởi cơng xây dựng 2005 Phần Lan dự kiến hồn thành 2009, có công suất lớn giới1600MW, Pháp Đức hợp tác nghiên cứu Ưu điểm độ an toàn cao, phịng cố nóng chảy tâm lị, chịu biến cố từ bên ngoài: máy bay rơi, động đất, giá điện rẻ, vận hành dễ dàng, công nghệ xử lý tín hiệu số đưa vào hệ điều khiển, chất thải phóng xạ, có đời sống dài Các lò vận hành giới chủ yếu thuộc loại hệ thứ hai Một số nước xây dựng có kế hoạch thay lò hết hạn sử dụng loại lò hệ thứ nước hợp tác nghiên cứu đời loại lò hệ thứ tư với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất thải phóng xạ hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy phổ biến vũ khí hạt nhân) 3.4 Ưu nhược điểm điện hạt nhân 3.4.1 Ưu điểm Cung cấp điện nhiệt cho đô thị công nghiệp Hơi nước từ nhà máy điện hạt nhân dùng vào sinh hoạt cần nước Chiếm diện tích so với nguồn sản xuất điện khác thủy điện, nhiệt điện… khơng cần đến bãi dự trữ nhiên liệu Lị phản ứng hạt nhân khơng thải khí nhà kín gây ô nhiễm môi trường, giúp kiềm chế mối nguy hiểm nóng lên tồn cầu Năng lượng hạt nhân đảm bảo phát triển bền vững Dùng giao thông vận tải, cung cấp nặng lượng cho tàu thủy, tàu ngầm… Khử muối nước biển nước bị ô nhiễm Sản xuất khí hydro nhờ điện phân nước điện hạt nhân cho suất cao 3.4.2 Nhược điểm Chất thải phóng xạ vấn đề chưa giải Rủi ro cao, việc xây dựng nhà máy với độ an tồn 100% khơng thể 10 − Uranium nguồn tài nguyên khan hiếm, dự trữ Uranium ước tính đủ cho từ 30 đến 60 năm tới tùy thuộc vào nhu cầu thực tế − Khung thời gian cần thiết cho thủ tục, lên kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân hệ khoảng từ 20-30 năm dân chủ phương Tây 11 Chương 4: AN TOÀN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 4.1 Những vụ tai nạn kinh hoàn nhà máy hạt nhân gây Vụ Mỹ ném bom nguyên tử xuống thành phố Nhật Hiroshima Nagasaki Vụ Masaky ngày 29-09-1957 Nga Vụ Windscale ngày 10-10-1957 Anh Vụ Three Miles Island ngày 28-03-1979 Mỹ Vụ nổ nhà máy Chernobyl ngày 26-04-1986 Ukraina Mới vụ nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp cố sóng thần gây a) b) c) d) e) Hình 4.1: Nhà máy điện hạt nhân Fukushima gặp cố sóng thần Theo thống kê nguyên nhân gây cố thảm họa hạt nhân 20% lỗi kỹ thuật thiết bị, 65% lỗi người, 15% lỗi kết hợp thiết bị vận hành 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 đồng vị phóng xạ tồn hàng triệu năm Thơng thường nhà máy điện hạt nhân hoạt động vài chục năm Sau đóng cửa, người ta phải tiến hành hàng loạt biện pháp cần thiết − Quản lý an toàn vật liệu hạt nhân − Quản lý an toàn chất thải hạt nhân phi hạt nhân − Khử độc chất phóng xạ phi phóng xạ − Tháo dỡ nhà máy − Phá hủy cơng trình để phục hồi cảnh quan môi trường 4.2.2 Các phương pháp xử lý chất thải hạt nhân Đưa vào không gian: Nỗi lo chất thải hạt nhân tan biến gây hại cho người đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “ thả” vào mặt trời Chôn cất đất: Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu lòng đất lựa chọn ưa thích nhiều quốc gia Chơn lấp đáy biển: Phần lớn đáy đại dương cấu tạo từ lớp đất sét dày nặng, ngun liệu hồn hảo để hấp thụ phóng xạ chất thải hạt nhân phát xạ Rút ngắn chu kỳ phân rã: Hiện số nhà khoa học tính tới việc giảm chu khỳ bán rã chất thải phóng xạ, qua đó, xử lý nhanh chóng chất Phương pháp thực phịng thí nghiệm có khả áp dụng giai đoạn xử lý ban đầu chất thải hạt nhân Tái chế chất thải hạt nhân: Uranium sử dụng lò phản ứng hạt nhân lấy 5% lượng nhà máy điện nguyên tử chưa thể tái sử dụng nhiên liệu Các nhà khoa học ĐH Edinburth (Scotland) nghên cứu sáng chế phân tử 12 mạch vịng, có khả “ăn” phần lớn ion tiếp xúc với chất uranium Nhờ vậy, cấu trúc uranium bị suy yếu giúp nhiên liệu cháy dễ dàng phản ứng với chất có khả để tách lọc khỏi chất thải, không gây ô nhiễm môi trường 13 Chương 5: ĐIỆN HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM 5.1 Tình hình điện hạt nhân Việt Nam Hiện nước ta có lị hạt nhân mini Đà Lạt, lị hạt nhân chủ yếu làm cơng tác nghiên cứu khoa học Trong tương lai gần, Việt Nam xây dựng nhà máy điện hạt nhân Hình 5.1: Mơ hình nhà máy điện hạt nhân Việt Nam Vì lý sau đây: Nước ta thiếu điện, dự báo nhu cầu điện vào năm 2020 380 tỷ kWh, gấp bốn lần năm 2010, than, dầu, thủy điện đến lúc điều cạn kiệt Điện hạt nhân đảm bảo an ninh lượng cho đất nước Giá thành điện hạt nhân chấp nhận được, tổng vốn đầu tư cho bốn tổ máy khoảng 11 tỷ USD Theo ông Vương Hữu Tấn, viện trưởng viện lượng nguyên tử Việt Nam Trước mắt , nhà máy điện hạt nhân có hai tổ máy ( lị cơng suất 1000MW), với vốn đầu tư khoảng tỷ USD, sau bổ sung 2-4 lò Thiết bị cho nhà máy nhập Các lò phản ứng bước nội địa hóa, mà nhiên liệu Dự kiến nhà máy vào hoạt động, điện hạt nhân chiếm tỷ trọng khoảng 6-10% sản lượng điện nước Nếu nhà máy có lị phản ứng, tổng công suất 6000 MW, tương đương với tổng sản lượng điện nước có Về chất thải nhà máy điện hạt nhân có hai dạng Dạng thải phóng xạ thấp (phát sinh từ phin lọc lị phản ứng, từ dụng cụ thải ra…), có thời gian bán rã ngắn, dài 30 năm Để xử lý, người ta bê tơng hóa chúng, đóng vào container nhỏ chôn xuống đất Sau thời gian, chúng trở lại trạng thái an toàn Một lò 1000 MW năm thải khoảng 800 chất thải loại này, đặc lại cịn khoảng 10 mét khối Loại chất thải đáng lo ngại nhiên liệu cháy Một lò 1000MW thải khoảng 30 năm Chúng có cường độ phóng xạ cao, thời gian bán rã lâu Khi cần xử lý phải 40-50 năm Như vậy, Việt Nam vận hành nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020, phải đến 2070 Trong thời gian đó, chắn công nghệ xử lý giới xa, áp dụng cho Việt Nam Theo ý kiến bà Maria Van der Hoeveb (giám đốc quan lượng quốc tế IEA)” Nếu người muốn giảm lượng khí CO tương lai, có ba lựa chọn thực tế: lượng hạt nhân, lượng tái sinh khí đốt” 14 Mọi công nghệ lượng tái sinh tạo khí thải gây hiệu ứng nhà kín Chẳng hạn, tua bin gió khơng tạo khí thải trình hoạt động, song người lại tạo khí CO2 q trình sản xuất, bảo dưỡng, lắp đặt turbin Khí đốt tạo khí CO 2, song lượng khí CO2 mà khí đốt tạo so với than đá Các nhà máy điện hạt nhân tạo khí CO q trình xây dựng, song khơng tạo khí q trình vận hành 5.2 Kết luận Bất nguồn lượng đưa vào áp dụng điều có rủi ro riêng nó, nhiệm vụ tìm cách khắc phục hạn chế rủi ro Năng lực đội ngũ chuyên gia quản lý nhân tố chủ yếu đảm bảo giảm thiểu rủi ro Về mặt môi trường điện hạt nhân giảm thiểu đáng kể lượng CO thải môi trường, quan trọng để hạn chế rủi ro, có tai nạn xảy việc nhiễm môi trường đời sống người nguy hiểm Về mặt sản lượng điện, điện hạt nhân giải triệt để việc thiếu hụt điện tương lai Nhưng vấn đề kinh tế, việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân tốn kinh tế lớn mà Chính Phủ Quốc Hội phải cân nhắc giải Vấn đề kinh tế rủi ro luôn trái chiều với Ngồi ra, cịn phải để ý đến thiên tai gây ra, vụ nhà máy Fukushima ví dụ nãn tiền cố hạt nhân thiên tai gây ra, biết khoảng thời gian tương lai khơng có thiên tai vùng đặt nhà máy hạt nhân Ninh Thuận tình hình thời tiết khí hậu giới diễn theo chiều hướng khó lường 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu photo Thầy Hoàng Trí [2] Internet 16