Thiết kế nhà máy điện nguyên tử

Thiết kế nhà máy điện nguyên tử

Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trường đại hoc Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh và Bộ Môn Hệ Thống Điện đã tận tình giảng dây cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình đã động viên và hỗ trợ em trong khoảng thời gian thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Phan Tú đã tận tình hướng dẫn và cung cấp

kiến thức cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.

1

- PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ

 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI

 CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ

 CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

 CHƯƠNG 4 : CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM

- PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

 CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN

 CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

 CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN

 CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN

MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận văn iiLời cảm ơn iiiTóm tắt luận văn iv

2

PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ 2

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI 2

1 Sự gia tăng dân số và nhu cầu năng lượng 2

2 Nhu cầu sử dụng năng lượng 3

II Những giải pháp được đưa ra 6

1 Các nguồn năng lượng tái tạo 6

2 Năng lượng hạt nhân , một giải pháp tốt ? 8

CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ 10

I.Lịch sử hình thành hạt nhân nguyên tử 10

1 Henri Becquerel và những khám phá ban đều về các bức xạ 10

2 Phóng xã Polonium và nhà khoa học nữ Marie Curie 10

3 Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thoronium X 11

4 Lý thuyết nguyên tử Bohr 13

5 Sự phân hạch tâm 14

II Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử 15

1 Cấu tạo hạt nhân nguyê tử 15

2 Lực hạt nhân 17

3 Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân 17

4 Các loại phản ứng hạt nhân 18

5 Tại sao chọn notron là hạt bắn phá hạt nhân 19

6 Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng 20

7 Năng lượng chuyển đổi 22

8 Tia phóng xạ

25CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ 28

I.Tình hình phát triển điện nguyên tử thế giới 27

II Tổng quan về nhà máy điện nguyên tử 32

III Nguyên liệu hạt nhân 33

1 Quá trình chuẩn bị nhiên liệu 34

2 Chu trình nhiên liệu 35

II Dự báo nhu cầu năng lượng 53

III Phát triển năng lượng hạt nhân ở Việt Nam 54

1 Sự cần thiết phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam 54

2 Phát triển điện hạt nhân là khả thi đối với Việt Nam 55

3 Xây dựng chương trình dài hạn và phát triển hạt nhân 56

4.6 Chọn thiết bị bảo vệ MBA 62

PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ 60

CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI 61

I.Đồ thị phụ tải cấp điện áp 220kV 62

3

IV Đồ thị phụ tải phát về hệ thống 64

V Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy 65

VI Tổng hợp đồ thị phụ tải của nhà máy điện 66

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN 68

I.Chọn số lượng và công suất tổ máy phát 68

II Sơ đồ nối điện chính của nhà máy 68

1 Các yêu cầu đặt ra khi chọn sơ đồ cấu trúc 69

2 Các phương án nối điện chính 70

3 Thiết lập chế độ vận hành các tổ máy 72

CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 73

I.Chọn máy biến áp cho phương án 1 73

1 Chọn các đại lượng cơ bản 82

2 Tính các giá trị điện kháng trong hệ đơn vị tương đối 82

II Tính toán ngắn mạch cho phương án 1 84

1 Tính toán ngắn mạch tại điểm N1 86

2 Tính toán ngắn mạch tại điểm N2 88

3 Tính toán ngắn mạch tại điểm N3 89

4 Tính toán ngắn mạch tại điểm N4 89

5 Tính toán ngắn mạch tại điểm N5 91

III Tính toán ngắn mạch cho phương án 2 92

1 Tính toán ngắn mạch tại điểm N1 94

2 Tính toán ngắn mạch tại điểm N2 95

3 Tính toán ngắn mạch tại điểm N3 96

4 Tính toán ngắn mạch tại điểm N4 97

5 Tính toán ngắn mạch tại điểm N5 98

6 Tính toán ngắn mạch tại điểm N6 99

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MÁY BIẾN ÁP 101

I.Tính toán tổn thất cho phương án 1 101

1 Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T1,T2,T3 và T6 101

2 Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T4 và T5 102

II Tính toán tổn thất cho phương án 2 104

1 Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T1,T2,T5 và T6 104

2 Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T4 và T3 105

II Chọn khí cụ điện chính cho phương án 2 114

1 Cấp điện áp 220kV 114

2 Cấp điện áp 110kV 117

3 Cấp điện áp 22kV 119

4 Chọn khí cụ điện đầu cực máy phát 120

CHƯƠNG 7 : SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN 121

CHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 123I.Tính toán kinh tế-kỹ thuật giữa các phương án 122

II Tổng kết các thiết bị chính 2 phương án 122

III Tính toán kinh tế cho phương án 1 123

III Tính toán kinh tế cho phương án 2 124

V So sánh hai phương án về mặt kinh tế 125

CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN 126

I.Chọn thanh dẫn cho đầu cực máy phát 126

1 Chọn tiết diện thanh dẫn theo dòng điện cho phép 126

2 Kiểm tra điều kiện ổn định khi ngắn mạch 127

3 Kiểm tra ổn định lực động điện khi ngắn mạch 127

III Chọn máy biến điện áp BU 138

1 Chọn máy biến điện áp cấp 10.5kV 138

2 Chọn máy biến điện áp cấp 22kV 140

3 Chọn máy biến điện áp cấp 110kV 141

4 Chọn máy biến điện áp cấp 220kV 143

IV Chọn máy biến dòng BI 144

1 Chọn máy biến dòng cấp 10.5kV 144

2 Chọn máy biến dòng cấp 22kV 145

3 Chọn máy biến dòng cấp 110kV 147

4 Chọn máy biến dòng cấp 220kV 148

CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 150

I.Chọn sơ đồ tự dùng cho nhà máy 150

II Chọn máy biến áp tự dùng 150

2 Chọn Aptomat cho cấp điện áp 0.4kV 158

3 Chọn cáp đến cuộn cao máy biến áp dự phòng cấp 1 160

4 Chọn cáp cho cấp điện áp 6Kv 161

5 Chọn dây dẫn cho cấp điện áp 0.4kV 161

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 162

5

6

TPHCM, ngày… tháng… năm 2010Thực tế cho thấy ngành điện đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nền sản xuất đại công nghiệp tiên tiến Ngành điện có mặt trong tất cả các lĩnh vực, từ sinh hoạt đời sống cho tới sản xuất hàng hoá Vì thế, muốn phát triển nền kinh tế đất nước trước tiên phải ưu tiên đầu tư và phát triển hệ thống điện quốc gia – đó là điều kiện tiên quyết cho việc phát triển đất nước

Những năm gần đây nền công nghiệp nước ta phát triển một cách ồ ạt, đất nước mở cửa hội nhập với thế giới làm thu hút đầu tư bên ngoài ngày càng nhiều, nhiều nhà máy xí nghiệp được xây dựng và đi vào hoạt động, những nhà máy này cần cung cấp một lượng điện năng lớn, vì vậy yêu cầu đặt ra phải sản xuất thật nhiều điện năng để đáp ứng nhu cầu xã hội

Hiện tại nước ta chỉ có 2 loại nhà máy điện là nhiệt điện và thuỷ điện Nhưng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng nhanh dẫn đến tình trạng thiếu điện trầm trọng vào mùa khô Trước tình hình đó, Bộ Công Thương đã chỉ đạo tập đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) làm báo cáo đầu tư để xây dựng 2 nhà máy điện nguyên tử với tổng công suất 4000MW tại Ninh Thuận Vì lý do đó, em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế nhà máy điện nguyên tử” nhằm mục đích tìm hiểu rõ hơn về nhà máy điện nguyên tử.

Việc thiết kế một nhà máy điện là một việc hết sức phức tạp Hơn nữa đây lại là một lĩnh vực mới tại Việt Nam nên em chỉ có thể tìm hiểu tổng quan về nhà máy điện nguyên tử và thiết kế cho phần điện trong nhà máy Do kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Sinh viên

Đặng Minh Khánh

Hình 1.1:Biểu đồ về tốc độ tăng trưởng dân số thế giới

Dân số và kinh tế thế giới và kinh tế thế giới ngày càng phát triển , đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó những nguồn năng lượng hoá thạch( dầu mỏ , khí tự nhiên , than đá …) mà con người sử dụng đang ngày càng cạn kiệt và gây ra những hậu quả không nhỏ đối với môi trường

2 Nhu cầu sử dụng năng lượng

Theo “triển vọng năng lượng quốc tế 2002” (IEO2002) tiêu thụ năng lượng thế giới dự báo trong khoảng thời gian 21 năm kể từ năm 1999 đến 2020 sẽ tăng 60% Ngoài ra các chuyên gia cũng dự báo rằng tình hình năng lượng có thể tăng gấp 4 lần ở khu vực châu Á và Trung Nam Mỹ

Giá dầu tăng ảnh hưởng lớn đến vật giá trong đời sống của mỗi con người chúng ta Điều này chứng tỏ dầu vẫn đang là nguồn năng lượng sơ cấp cần thiết của chủ yếu của thế giới và dự báo nó sẽ còn giữ vị trí này trong suốt

khoảng thời gian 1999-2020 Theo ước lượng, thế giới tăng khoảng 2.2% từ 75 triệu thùng/ngày (năm 1999) lên 199 triệu thùng/ngày (năm2020) Mặc dù các nước công nghiệp hóa vẫn là những nước tiêu thụ dầu hơn so với các nước đang phát triển nhưng theo tốc độ phát triển hiện tại thì khoảng cách này đang thu hẹp khá nhanh Năm 1999 các nước đang phát triển tiêu thụ 58% nhưng đến năm 2020 dự báo tới 90%.

Người ta cho rằng các mỏ dầu còn có thể khai thác trong 40 năm nữa Điều này cho thấy rằng giá dầu trong tương lai có giá leo thang Và như chúng ta được biết thì 2/3 mỏ dầu nằm ở khu vực Trung Đông là khu vực vốn không ổn định về kinh tế chính trị.

Khí tự nhiên được dự báo là nguồn năng lượng có tốc độ tăng trưởng khá nhanh và đã vượt sản lượng than vào năm 1999, tương lai sẽ qua mặt sản lượng tiêu thụ than đến 38% trong năm 2020 Tổng tiêu thụ khí tự nhiên đạt được 23% trong năm 1999 và tăng 29% trong năm 2020 Trong thế giới đang phát triển việc gia tăng khí tự nhiên có tốc độ cao nhất, với tốc độ trung bình trong suốt thời kỳ dự báo là 5.3% nhằm phục vụ nhu cầu phát điện và phát triển công nghiệp.

Tài nguyên khí tự nhiên so với tài nguyên dầu thì nó có tính chất thuần khiết hơn, cho phép đốt cháy hoàn toàn và linh hoạt trong việc sử dụng hơn, đồng thời thời gian sử dụng cũng lâu hơn.

Ngày nay các chuyên gia của chúng ta dự đoán còn khoảng 60 năm nữa cho việc khai thác khí tự nhiên này Trên thực tế thì 70% năng lượng này phụ thuộc vào Liên Xô cũ và khu vực bất ổn Trung Đông.

Than được sử dụng 65% cho việc tiêu thụ điện trên thế giới Theo tình hình chung sản lượng này tăng một cách chậm chạp với tốc độ trung bình 1.7% năm Trong thời gian dự báo, 22% sản lượng than cho năm 1999 và đến năm 2020 chỉ còn 20% Tuy nhiên, trữ lượng than vẫn còn sử dụng nhiều ở thị trường Trung Quốc, Ấn Độ

Chúng ta còn 230 năm nữa cho việc khai thác các hầm mỏ than Sở dĩ việc khai thác than không được đẩy mạnh là do việc tiêu thụ than gây ra bụi, khí độc hại, và khí thải của nó chiếm một lượng rất lớn điều này đã ngăn cản năng lượng than trong tương lai.

Sau đây các biểu đồ thống kê về tình hình sử dụng năng lượng trên các lĩnh vực: công nghiêp, sinh hoạt và giao thông Trong đó dầu mỏ chiếm tỷ trọng lớn nhất.

Hình 1.2: Nhu cầu nănglượng cho công nghiệp

Hình 1.3: Nhu cầu năng lượng cho sinh hoạt

Hình 1.4: Nhu cầu năng lượng cho giao thông

Nhưng nguồn năng lượng hóa thạch này không phải là vô tận Với tốc độ khai thác như hiện nay thì lượng dầu mỏ trên thế giới sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 năm nữa Sự khan hiếm đã làm cho giá dầu mỏ ngày càng tăng

Hình 1.5: Giá dầu khí ngày càng tăng

II Những giải pháp được đưa ra

1 Các nguồn năng lượng tái tạo (Renewable energy)

Trước sức ép của cuộc khủng hoảng năng lượng Con người đã và đang liên tục tìm kiếm những nguồn năng lượng để thay thế cho năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt:

• Photovoltaics (PV) : Tạo ra từ những tấm pin quang điện.• Concentrating solar power (một dạng của năng lượng mặt trời)• Geothermal (địa nhiệt )

• Hydro power (thủy điện)• Wind power (năng lượng gió)

• Ocean energy (năng lượng thủy triều)

Đây là những nguồn năng lượng sạch và hết sức thân thiện với môi trường Tuy nhiên, giá thành sản xuất còn quá cao, do chi phí để nghiên cứu và lắp đặt khá tốn kém, khó có thể chấp nhận được, nhất là ở những nước đang phát triển.

Hình 1.6: Giá điện sản xuất từ các loại năng lượng

Một vấn đề khác nữa là liệu công suất của những nguồn năng lượng này tạo ra có đủ đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của con người hay không?

(1 tep = 11.6MWh)

Hình 1.7: Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trong tương lai

Ta thấy tỷ trọng của năng lượng tái tạo là rất nhỏ so với các nguồn năng lượng khác Mặt khác, dựa vào biểu đồ trên ta thấy là vào khoảng năm 2050 thì nguồn năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, khí đốt… sẽ cạn kiệt và dẫn đến thiếu hụt công suất điện năng là khoảng 2.5Gtep Vậy chúng ta lấy ở đâu ra để bù đắp cho những thiếu hụt này?

Và giải pháp được đưa ra là năng lượng nguyên tử (Nuclear Power) Đây có phải là một giải pháp tốt?

2 Năng lượng hạt nhân (Nuclear Power), một giải pháp tốt?

 Không thải ra khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính (greenhouse) Lượng khí hoặc chất thải ra môi trường đã được xử lý an toàn

với công nghệ hiện nay.

 Số lượng uranium còn rất lớn (5 tỷ tấn dưới lòng đại dương) so sánh với công suất mà 1 kg uranium mang lại thì ta thấy đây là một nguồn năng lượng dồi dào.

b) Ngoài những mặt ưu việt như trên, thì việc sử dụng năng lượng hạt nhân cũng còn nhiều vấn đề bất cập sau:

• Sử dụng hạt nhân trong lĩnh vực quân sự, nguyên nhân gây mất hòa bình trên toàn thế giới

• Những rủi ro xảy ra trong quá trình vận chuyển.

• Hậu quả của những sự cố khi vận hành nhà máy điện hạt nhân là rất lớn, và để lại hậu quả cho nhiều thế hệ sau này.

Nhưng với việc đang phát triển thế hệ nhà máy hạt nhân thứ 4 (generation IV) thì những rủi ro đã được hạn chế đến mức tối đa, xác suất để xảy ra những rủi ro là rất thấp.

 Tuy năng lượng hạt nhân vẫn còn một số bất cập cần được giải quyết như đã nêu trên, nhưng đây có lẽ là một nguồn năng lượng không thể thiếu trong thế kỉ 21.

Henri Becquerel một giáo sư vật lý tại Viện Bảo Tàng Lịch Sử Thiên

Nhiên Henri Becquerel cũng là một nhà vật lý thuộc Hàn Lâm Viện Khoa Học Becquerel nhận thấy tia X đã làm sáng màn huỳnh quang trong khi đó, trạng thái huỳnh quang đã được cha của ông khảo cứu kỹ càng Becquerel liền chú ý tới khám phá của Roentgen.

Becquerel thấy rằng những chất chứa Uranium và ngay cả các hợp chất có Uranium mà không có tính chất huỳnh quang, đều có thể phát ra các tia bức xạ trong khi các hợp chất khác chứa Calcium hay Kẽm chẳng hạn lại không có tính chất trên Sau nhiều thí nghiệm, Becquerel đi tới kết luận chất Uranium là nguyên nhân khiến các bản thu ảnh bị tác dụng và ông đã nghĩ tới việc thí nghiệm bằng Uranium nguyên chất nhưng cho tới thời bấy giờ, chưa có thứ kim loại này Ông đành chờ đợi.

Như vậy Becquerel đã khám phá ra tính chất của một thứ kim loại mới có khả năng phát ra các tia bức xạ Nhưng các điều khám phá của Roentgen và Becquerel chưa khiến cho các nhà bác học đương thời lưu ý Những điều tìm thấy đó bị bỏ quên trong một năm rưỡi, cho tới cuối năm 1897, mới được Marie Curie để tâm đến.

2 Phóng xạ Polonium của nhà khoa học nữ Marie Curie

Marie Curie - đang theo đuổi luận án tiến sĩ - bắt đầu cuộc tìm kiếm và

sau rất nhiều lần thử với vô số vật chất, bà đã để tâm tới chất pechblende.Pechblende là một khoáng chất chứa Uranium kết tinh Marie Curie đã ngạc nhiên thấy pechblende cho các tia bức xạ mạnh hơn các tia của kim loại Uranium nguyên chất Nếu vậy trong pechblende phải có một nguyên tố nào chưa biết, có đặc tính phát ra các tia đâm thâu, vì vậy phải tìm ra chất đó

Hình 2.1: Nhà khoa học Marie Curie

Vào cuối năm 1898, ông bà Curie công bố việc khám phá ra một chất mới thứ hai: chất Radium Ngày 26/12/1898, Becquerel trình bày sự khám phá ra chất Radium của ông bà Curie trước Hàn Lâm Viện Khoa Học Pháp Như vậy giới khoa học đã biết tới 3 chất phóng xạ Chất thứ tư là Thorium được khảo sát do R B Owens, Giáo Sư thuộc Đại Học McGill tại Montreal, Canada.

3 Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thorium X

Rutherford sinh trưởng tại Tân Tây Lan Ngay từ nhỏ, ông đã nổi danh là một thần đồng Khi còn theo học tại trường trung học Nelson, Rutherford rất giỏi về Toán, Lý, Hóa, Sử, La Tinh, Pháp Văn và Văn Chương Anh Ông đã đỗ đạt rất sớm với hạng rất cao Cuối năm 1825, Rutherford được gửi theo

học tại Đại Học Cambridge Thời bấy giờ giám đốc phòng thí nghiệm Cavendish là nhà bác học J J Thomson nhận thấy Rutherford là người có tài, nên nhận Rutherford làm phụ tá Thomson và Rutherford cùng nghiên cứu về tia X và sự Ion hóa các chất khí trong hơn một năm trường.

Hình 2.2: nhà khoa học Ernest Rutherford

Vào mùa hè năm 1900, Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn nghi ngờ với tên gọi là Thorium X.

Rutherford khảo sát sự ion hóa và thấy rằng Uranium phát ra hai loại tia mà ông đặt tên là tia alpha và tia bêta Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi của trường Đại Học McGill là Arthur Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng như Uranium chỉ cho tia α trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia β

Thập niên 1900, Rutherford và Soddy đều đã khuyến cáo rằng khí Hélium có thể là một nguyên tố do từ sự biến dịch của các chất Uranium và Radium Vì thế từ mùa xuân năm 1903, Rutherford tìm cách lấy khí Hélium từ chất Radium trong khi Soddy lại nghĩ tới việc tạo ra Radium từ Uranium.

Năm 1907, Geiger và Rutherford đã dùng lại phát minh của John S Towsend, một người bạn cũ của Rutherford tại Cambridge và bổ túc bằng những ý kiến của nhà toán học trẻ tuổi Paul J Kirby Hai nhà bác học kể trên đã hoàn thành một máy đếm nhờ đó người ta đếm được các hạt điện tử Vào

mùa hè năm 1908, Rutherford và Geiger còn suy ra rằng hạt điện tử alpha giống hệt như nguyên tử Hélium (Rutherford được trao Giải Thưởng Nobel 1908 về Hóa Học).

Từ đầu năm 1909, với sự phụ tá của Geiger và Ernest Marsden, một sinh viên trẻ tuổi, Rutherford vẫn tiếp tục nghiên cứu về các chất phóng xạ để rồi tới tháng 5 năm 1911, ông cho phổ biến trên tạp chí The Philosophical Magazine ý tưởng về một kiểu mẫu nguyên tử Nguyên tử khi đó được quan niệm là một khoảng trống không, bên ngoài có các điện tử di chuyển chung quanh một tâm phân tán theo một điện trường có cường độ giảm theo bình phương khoảng cách Tâm phân tán này rất nhỏ, có điện dương và khối lượng tương đối rất lớn Lý thuyết nguyên tử của Rutherford giống như thái dương hệ, đã cho phép cắt nghĩa được nhiều hiện tượng nhưng một trở ngại được nêu lên Nếu có các điện tử xoay quanh nhân, thì chắc hẳn phải có sự phát ra ánh sáng và do đó, sinh ra sự co lại của các quỹ đạo khiến cho các điện tử sẽ bị rơi vào nhân trong khi theo sự nhận xét, điều này đã không xảy ra.

Tới mùa xuân năm 1912, tất cả khoa học gia tại Manchester đều công nhận kiểu mẫu nguyên tử của Rutherford.

4 Lý thuyết nguyên tử Bohr

Hình 2.3: nhà khoa học Niels Bohr

Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên tử và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân” Bohr đi tới kết luận như sau: ông công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng lượng của chúng không bị thay đổi Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị dời chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần nhẩy vọt từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử (quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa quỹ đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận Như vậy ánh sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi.

5 Sự phân hạch tâm

Năm 1938, các nhà khoa học khám phá thấy rằng nếu dùng trung hòa tử để bắn vào nhân nguyên tử Uranium, nhân này sẽ bị tách ra làm hai đồng thời phát ra một năng lượng cực lớn Trong chuyến du hành qua Hoa Kỳ, đã bàn luận về năng lượng của nguyên tử với Albert Einstein và với nhiều nhà bác học khác trong đó có cả Enrico Fermi, khi đó đang làm việc tại trường Đại

Học Columbia Thời bấy giờ chưa có nhà bác học nào biết rằng giữa hai chất Uranium 238 và Uranium 235 với lượng rất ít, chất Uranium nào đã bị phân hạch tâm để phát ra năng lượng lớn Bohr đã cùng Tiến Sĩ John A Wheeler nghiên cứu vấn đề này và trong vài ngày, đã đi đến kết luận rằng chỉ có chất Uranium 235 bị chia tách.

Năm 1934, nhà vật lý Hoa Kỳ gốc Ý Enrico Fermi đã thực hiện được việc phân hạch tâm nhưng phản ứng này chưa được công nhận cho đến năm 1939, khi các nhà khoa học Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann công bố rằng họ đã tách được nhân Uranium do bắn bằng nơtron

Các phản ứng hạt nhân có các ích lợi thực tế gồm việc phân chia một

nhân nhẹ thành một nhân nặng, gọi là “hợp hạch tâm”.

Cho đến nay, về cơ bản người ta vẫn sử dụng mẫu Bohr và gọi nó là mẫu hành tinh nguyên tử Từ đó mở ra một nghành vật lý hoàn toàn mới là ngành cơ học lượng tử Đối tượng nguyên cứu của nó là các nguyên tử, hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản Cùng với cơ học lượng tử, lý thuyết tương đối do nhà bác học vĩ đại người Đức Albert Einstien (1897-1955) đưa ra từ năm 1905 đến năm 1916 là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết các hạt cơ bản.

Với công thức liên hệ giữa khối lượng vật chất và năng lượng tương đương chứa trong khối chất này:

E = mc2

Albert Einstein xứng đáng được mệnh danh là “Cha đẻ của ngành năng lượng nguyên tử”.

Hình 2.4 : Nhà khoa học Albert Einstein

Đầu các năm 30 của thế kỷ XX cùng với nhiều máy móc trong lĩnh vực vô tuyến, phổ kế ra đời đã tạo điều kiện cho vật lý có những phát minh có tính quyết định trong ngành hạt nhân nói chung và công nghệ hạt nhân nói riêng Người ta phát hiện ra các hiện tượng phân rã hạt nhân, phát hiện tính phóng xạ tự nhiên của nhiều nguyên tố, người ta tiến hành nghiên cứu được nhiều phản ứng hạt nhân trong đó có hai loại phản ứng hết sức quan trọng là phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, tạo ra một ngành công nghệ mới mẻ sản xuất năng lượng phục vụ con người, chỉ ra được hướng giải quyết căn bản bài toán năng lượng cho loài người.

II Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử:

1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:

Sau rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học về mẫu hành tinh nguyên tử, ta có thể tưởng tượng được thành phần của một nguyên tử bao gồm: vỏ ngoài được cấu tạo bởi các electron (điện tử) mang điện tích âm có khối

1.6748 x 10-27 kg Thể tích của hạt nhân chỉ khoảng 10-14 thể tích nguyên tử

nhưng do khối lượng electron rất nhỏ nên khối lượng chủ yếu tập trung chủ yếu tại hạt nhân.

Hình 2.5: mô hình nguyên tử

Ký hiệu hóa học của nguyên tử XNZhoặc NXZ

Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong hệ thống tuần hoàn N là ký hiệu số nơtron của nguyên tử Do đó tổng số nuclon của nguyên tử hay còn được gọi là số khối được ký hiệu là: A = Z + N

Đồng vị của các nguyên tố:

Các nguyên tử có cùng một nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác nhau được gọi là đồng vị Có nghĩa là có cùng số proton Z nhưng lại khác số nơtron N.

Ví dụ : carbon có 3 đồng vị 116C, 126C, 136C

Còn đồng vị phóng xạ là đồng vị không bền vững của các nguyên tố có tính phóng xạ Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phóng xạ tự nhiên nằm trong các họ phóng xạ mà các đồng vị khởi đầu là các hạt nhân U235, U238,

Th232 và Np237 có chu kỳ bán phân rã hay gọi là chu kỳ bán rã rất lớn và tận cùng bằng các Pb207, Pb206, Pb209 và Bi209.

2 Lực hạt nhân:

Các hạt nuclon hình thành được là do có lực liên kết giữ các hạt proton và nơtron Theo nghiên cứu thì các nuclon này tác dụng với nhau bằng hai lực chính: lực đẩy tĩnh điện culong giữa các proton với nhau và lực đẩy rất mạnh giữa các nuclon là lực hạt nhân Một số tính chất của lực hạt nhân:

và lực hạt nhân yếu.

hai proton hay giữa nơtron và proton là như nhau.

hơn lực đẩy.

hạn các nuclon khác nằm ngay sát nó.

nhân phụ thuộc sự định hướng của các spin nuclon.

hai nuclon được thực hiện với nhau bằng các trao đổi hạt mezon π.

3 Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân:

lượng có liên quan đến năng lượng nên đôi khi ta thấy biểu diễn đơn vị của khối lượng là eV.

Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của các nuclon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng ∆m:

Với M: khối lượng hạt nhân mới hình thành.

Khi các nuclon kết hợp lại thành một hạt nhân, nó cần có năng lượng để kết dính các nuclon Năng lượng này gọi là năng lượng liên kết Để tạo ra năng lượng liên kết một phần khối lượng của các nuclon thành phần tham gia kết dính sẽ phải mất đi dưới dạng năng lượng Vậy năng lượng liên kết có thể tính như sau:

(2.3)Nếu năng lượng liên kết riêng càng lớn thì năng lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân càng cao, vì thế hạt nhân đó được gọi là hạt nhân bền Còn lực liên kết nhỏ hạt nhân được gọi là hạt nhân không bền.

4 Các loại phản ứng hạt nhân:

Hiện tượng một hạt nhân nhẹ phản ứng với một hạt nhân nặng làm hạt nhân nặng tách thành hai mảnh hay nhiều hơn, sau phản ứng sinh ra một năng lượng rất lớn được gọi là hiện tượng phân hạch hạt nhân.

Ví dụ: Năng lượng liên kết đối với mỗi nuclon trong một hạt nhân A=240 có thể tăng gần 1MeV nếu nó được tách thành 2 mảnh có A = 120

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng mà hai hạt nhân nhẹ phản ứng với nhau tạo ra hạt nhân nặng hơn và trong phản ứng phải kèm theo điều kiện là ở nhiệt độ rất cao (hàng chục triệu độ).

Ví dụ: Khi ta đưa 2 hạt nhân đơtêri 1H2 lại gần nhau để tạo thành hạt nhân 2He4 thì năng lượng liên kết tăng 6MeV trong mỗi nuclon

ở đây ta đề cập đến hiện tượng phân hạch vì năng lượng do hiện tượng phân hạch hạt nhân đã đem lại cho con người một nguồn năng lượng mới rất quan trọng Trong quá trình tính toán ta thấy rằng năng lượng hạt nhân không bị ảnh hưởng nhiều nếu có sự chênh lệch về khối lượng giữa hai mảnh vỡ trong phản ứng phân hạch hạt nhân

(2.4)Năng lượng giải phóng lúc đó sẽ là:

5 Tại sao chọn nơtron là hạt bắn phá hạt nhân:

Thế năng tương hỗ giữa hai mảnh phân hạch luôn bị một rào thế ngăn cản nhưng chỉ cần một năng lượng tương đối nhỏ là có thể phá bỏ rào thế gây nên quá trình phân hạch Chỉ cần thêm cho hạt nhân một năng lượng là hạt nhân có thể vượt qua rào thế để phân hạch bằng cách cho một hạt có năng lượng lớn va chạm vào hạt nhân nặng Hạt nhân tích điện dương nên nếu dùng một hạt mang điện tích dương sẽ không thích hợp vì còn phải tốn năng lượng để thắng lực đẩy Culong Như vậy ta phải dùng hạt trung hòa hoặc hạt có điện tích âm Dùng electron không có lợi vì hạt này chỉ tương tác chủ yếu với các electron bao quanh hạt nhân và tương tác rất ít với chính hạt nhân Do đó lựa chọn tốt nhất là hạt nơtron Nó là hạt trung hòa nên không có vấn đề phải thắng lực Culong, nơtron lại không tương tác với electron cho nên nó đi xuyên qua đám mây electron của nguyên tử một cách dễ dàng, hơn nữa ở các khoảng cách ngắn nó lại bị hút vào hạt nhân rất mạnh do lực hạt nhân giữa các nuclon gây ra Dùng công thức sau có thể tính được năng lượng giải phóng khi một nơtron bị bắt:

Sn = [M (A, Z) + mn – M (A+1, Z)]c2 (2.6)

phân hạch, nó chỉ phân hạch khi nơtron có năng lượng cỡ 1 MeV (gọi là hiện tượng phân hạch nhờ có nơtron nhanh) Đối với hạt nhân 92U238 nơtron bị bắt sẽ giải phóng khoảng 6.4 MeV Năng lượng này đủ để vượt qua rào cản lực Culong Tuy nhiên, ở 92U238 nơtron bị bắt chỉ giải phóng 4.9 MeV mà để phân hạch lại cần một năng lượng lên đến 5.5 MeV Để tiện cho việc tìm hiểu ta theo dõi bảng sau:

Bảng 2.1: năng lượng bắt nơtron và năng lượng phân hạch

phức hợp

Năng lượng tỏa ra khi bắt nơtron Sn

Năng lượng cần cho sự phân hạch, MeV

6 Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng:

Định nghĩa: phản ứng dây chuyền là phản ứng xảy ra trong một hệ mà

trong đó các hạt sau khi gây ra phản ứng, lại xuất hiện trong kết quả của phản ứng, cho nên hạt mới vừa xuất hiện sau thời gian nào đó lại có thể gây ra phản ứng khác giống như phản ứng trước và vì vậy phản ứng do các hạt ban đầu gây ra lại được tiếp tục mãi

Trong chuyên đề này ta sẽ chỉ quan tâm tới các phản ứng dây chuyền sinh nhiệt, là phản ứng khi xảy ra có tỏa ra một năng lượng đủ lớn và do đó không cần phải có năng lượng bên ngoài được gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì.

a) Phản ứng dây chuyền tự duy trì do nơtron gây ra.

Sự phân hạch có thể xảy ra tự phát hoặc dưới tác dụng của nơtron Thông thường hiện tượng phân hạch xảy ra với nơtron chiếm đa số.

Phản ứng thường gặp trong lò phản ứng là:on1 + 92U235 → M + N + νn’ + năng lượng

Sản phẩm cụ thể: on1 + 92U235 → 54Xe139 + 38Sr95 + 2 on1on1 + 92U235 → 36Kr90 + 56Ba144 + 2 on1

Khi phân hạch khối lượng mảnh vỡ rất ít khi bằng nhau Thí dụ khi bắn nơtron chậm vào nhân 92U235 thì nó sẽ vỡ ra thành hai mảnh M và N có khối lượng khác nhau và giải phóng từ hai đến ba nơtron như phản ứng trên ta

thấy rằng M và N có hai khối lượng khác nhau.

Hình 2.6: Đường cong xác suất của các mảnh vỡ

Đường cong trên biểu diễn xác suất (%) của các mảnh vỡ với khối lượng

cực tiểu nằm tại M =118 ≈ A/2 Từ đó có thể nhận xét được là xác suất để tách thành hai mảnh bằng nhau là nhỏ hơn hai mảnh có khối lượng khác nhau Xác suất cực đại khi M = 90 và N = 140 phù hợp với phương trình cụ thể trên Sau phản ứng tiếp tục được duy trì ví dụ với các sản phẩm:

36Kr90 → 37Rb90 → 38Sr90 → 39Y90 → 40Zr90

Trở lại với các nơtron, để có được nơtron ban đầu để gây ra phản ứng dây chuyền trên U235 ta phải dùng một phản ứng mồi để phát ra nơtron hay còn được gọi là hiện tượng phân rã hạt nhân, ký hiệu (γ, n) vì hạt tới là lượng tử γ của các chất phóng xạ tự nhiên (thí dụ nguyên tố radi 88Ra226) lên các nguyên tố dùng làm bia là berili và đơteri có thể xảy ra hai phản ứng sau:

oγo + 4Be9 → 4Be8 + on1oγo + 1H2 → 1H1 + on1

hai phản ứng này được dùng để bắt mồi cho phản ứng hoạt động.

b) Điều kiện duy trì phản ứng:

Để lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng thái phản ứng dây chuyền tự duy trì đòi hỏi phản có sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện sau phản ứng Các nơtron mất đi phải bao gồm cả nơtron bị mất đi do bị bắt gây phản ứng phân hạch, nơtron hấp thụ các hạt nhân nguyên tố khác trong lò (vật liệu, chất tản nhiệt, chất làm chậm) và các nơtron rò ra khỏi lò.

Các nghiên cứu cho thấy nơtron có năng lượng thấp cỡ vài eV có tiết diện phân hạch lớn hơn nhiều so với nơtron nhanh Vì vậy mà chúng có thể duy trì phản ứng tốt hơn, thế nhưng sau khi phản ứng phân hạch đầu tiên thì sau phản ứng lại sinh ra các nơtron có năng lượng cao Để khắc phục nhược điểm

này người ta sử dụng chất làm chậm để phản ứng có thể được duy trì

Quá trình đó được hiểu như sau: khi được sinh ra từ phản ứng các nơtron này va chạm đàn hồi (là va chạm sau đó truyền năng lượng cho nguyên tử đó) với các nguyên tử làm chậm Chất này thường chọn là các nguyên tố nhẹ như: hydro, đơteri, berili và graphit vì khi va chạm với các nguyên tố nhẹ thì năng lượng được truyền nhiều hơn so với nguyên tố nặng Trong lò cần thiết kế sao cho có thể điều khiển tới hạn khi lò cần hoạt động và dưới mức tới hạn khi cần ngừng lò.

7 Năng lượng chuyển đổi

on1 + 92U235 → M + N + νn’ + 200 MeV

(1 eV = 1.60 x 10-19 J)

a) Năng lượng giải phóng từ mỗi phân hạch

165 MeV: Động năng của các sản phẩm phân hạch7 MeV: Tia gamma

6 MeV: Động năng của nơtron.

7 MeV: Năng lượng từ các sản phẩm phân hạch.6 MeV: Tia gamma từ các sản phẩm phân hạch9 MeV: anti-nơtrino từ các sản phẩm phân hạch

Hình 2.7: các thế hệ của phân hạch

Nếu sau mỗi phân hạch sinh ra 2 nơtron thì trong 10 thế hệ có 1.024 phân hạch và trong 80 thế hệ sẽ có 6 x 10 23 phân hạch

b) Năng lượng trong mỗi phân hạch uranium U235

Phân hạch của một nucleon tương đương giải phóng trung bình 200MeV

ωNA/M

Trong đó ω: phân số của U235 trong khối lượng uranium, NA số Avogadro (NA = 6.022 x 1023)

M là nguyên tử khối của U235

nucleon của U235 và sau quá trình phân hạch giải phóng được 5.8 x 1011 J Năng lượng có trong một kg uranium, đối với những cấp độ làm giàu khác nhau theo bảng sau:

Bảng 2.2: năng lượng thu được theo trong 1 kg uranium

Loại Uranium

Độ làm giàu ω (%)

Năng lượng tính theo (J/kg)

Năng lượng

Tấn / GWyrUranium tự

Uranium làm giàu

Uranium làm giàu

Uranium làm giàu

Uranium (U235) tinh kiết

U235 chứa trên một MTHM(metric tone of heavy metal) là 37.5 kg trong nguyên liệu mới và 8.6kg đối với nguyên liệu đã sử dụng (chỉ tiêu thụ khoảng 77% của U235)

thụ nhiều hơn là phân hạch.

lượng đáng kể vào nguồn năng lượng Chính điều này làm giảm yêu cầu của U235 trong việc phát năng lượng.

Những điều trên sẽ gây ảnh hưởng lớn đến tất cả sự thay đổi số lượng xãy

phân hạch của đồng vị plutonium , thậm chí là U238 Kết quả tổng thể có thể được dự báo sơ bộ bằng việc so sánh độ giảm khối lượng kim loại tổng – nó đưa đến kết quả hầu hết những phần tử từ việc phân hạch của uranium và

35.6GWd/t lên một giá trị mới là 38.5 GWd/t Dự báo này vẫn bỏ qua sự khác biệt đối với sản lượng năng lượng trong sự phân hạch và khối lượng

là Pu239 và Pu241 mà không phải là U235 Chú ý thêm điều này sẽ tăng khoảng 0.6 GWd/t Phát xạ tia Gamma trong sự hấp thụ nơtron trong nhóm actinide (Z = 89 – 103).

Giá trị 40 GWd/t gần đúng với giá trị thu được từ lò LWR gần đây, mặc dù mức độ đốt nhiên liệu trung bình của lò PWR hiện nay cao hơn và tương lai lò này vẫn còn được mong đợi thu năng lượng cao hơn nữa Việc đốt nhiên liệu lên đến hàng GWd/t có thể được chuyển đổi thành nhu cầu nhiên liệu mỗi năm Chẳn hạn như, cho đốt cháy 40 GWd/t trong nhu cầu uranium tổng là 28.5 tấn mỗi GWyr hay 1.07 tấn của U235 độ làm giàu 3.75%.

• Có khả năng xuyên qua một số chất như gỗ, vải, giấy, miếng kim loại mỏng…

• Tỏa nhiệt, làm cho khối lượng chất phóng xạ giảm dần và làm cho chất đó biến thành chất khác.

một tờ giấy hoặc điện áp người.

bằng với tốc độ ánh sáng và bị một lớp nhôm dầy trung bình 1mm hấp thụ Tia β có sức xuyên thấu mạnh hơn so với tia α nhưng có thể bị chặn lại bởi tấm kim loại hay tấm kính mỏng.

thân γ có bức sóng ngắn và không bị lệch trong từ trường, điện trường và ngoài ra nó có khả năng xuyên thấu mạnh

a) Độ phân rã phóng xạ:

Khi có sự phân rã thì mật độ hạt nhân sẽ giảm dần theo thời gian Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của chất phóng xạ là N Sau thời gian dt số hạt nhân của chất phóng xạ giảm đi một lượng -dN

H0 = λN0 là độ phóng xạ tại thời điểm t = 0

Ngoài ra để phân biệt chu kỳ bán rã nhanh hay chậm người ta còn đưa ra một đại lượng gọi là chu kỳ phân rã T1/2 nghĩa là sau khoảng thời gian đó mật độ phân rã chỉ còn một nửa.

(2.9)

Nhìn chung các chất phóng xạ có chu kỳ phân rã rất khác nhau Chẳn hạn

vẫn tồn tại trên trái đất Radium có chu kỳ bán rã là 10-6 s nên vừa sinh ra lập tức biến thành chất khác ngay Còn Poloni lại có chu kỳ bán rã là 138 ngày.

b) Quản lý nồng độ phóng xạ:

Tại các nhà máy điện hạt nhân người ta quy định “ khu vực quản lý” để tiến hành việc quản lý tia phóng xạ nghiêm ngặt đối với nhân viên làm việc liên quan đến tia phóng xạ Lượng tia phóng xạ mà các nhân viên phải nhận được đo đếm bằng các dụng cụ như liều kế nhiệt huỳnh quang và tấm phim Bên cạnh đó lượng tia phóng xạ bên trong cũng được đo đếm bằng liều kế nhiệt toàn thân Hơn nữa, để không mang chất phóng xạ ra bên ngoài thì các nhân viên này phải thay quần áo và giày chuyên dụng, khi ra ngoài phải kiểm tra xem có nhiễm phóng xạ hay không bằng máy phát hiện và đo phóng xạ

CHƯƠNG 3 :

NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

Hiện nay, các nhà máy điện hạt nhân có tổng công suất 363.135MW với sản lượng điện năm 2002 là 2.574 tỷ kWh, chiếm 16% tổng sản lượng điện toàn cầu Tỷ lệ này được giữ ổn định trong suốt 20 năm qua, điều đó có nghĩa là mức tăng trưởng của nguồn điện nguyên tử có cùng nhịp độ với mức tăng trưởng tổng các nguồn điện khác.

Phát triển điện nguyên tử tập trung chủ yếu ở các nước phát triển Hơn 50% số lò tập trung ở Bắc Mỹ và Tây Âu, trong khi chỉ có 10% số lò tập trung ở các nước đang phát triển, nơi mà năng lượng sẽ gia tăng mạnh mẽ trong thế kỷ này Hiện có 5 quốc gia dẫn đầu về sản lượng điện hạt nhân, đó là: Mỹ (780 tỷ kWh), Pháp (415 tỷ kWh), Nhật (313 tỷ kWh), Đức (162 tỷ kWh) và Nga (130 tỷ kWh) Một số quốc gia có tỉ trọng điện hạt nhân đặc biệt cao như Lithunia (80%), Pháp (78%), Slovakia (65%) và Bỉ (57%) Tổng số năm kinh nghiệm vận hành tích luỹ được đến nay của tất cả các lò trên thế giới đạt trên 11.000 năm Theo dự báo, công suất điện hạt nhân sẽ tăng từ 363.000 MW vào năm 2004 lên tới 392.000 MW vào năm 2010 và sẽ lên tới 407.000MW vào năm 2015 Lượng gia tăng công suất này có tới 95% thuộc khu vực châu Á, trong đó, Trung Quốc: 19.000 MW, Hàn Quốc: 15.000 MW, Nhật Bản: 11.000 MW và Ấn Độ: 6.000 MW.

Xét về nhu cầu và nhịp độ xây dựng mới các nhà máy điện hạt nhân thì có sự khác nhau ở các khu vực trên thế giới Nếu nhu cầu và nhịp độ đó bị ngưng lại ở khu vực Tây Âu và Bắc Mỹ thì nó lại tiến triển mạnh ở khu vực

Đông Âu, và đặc biệt là ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương Khu vực Tây Âu năm 1980, sau sự cố Three Mile Island 1979 ở Mỹ, trên cơ sở trưng cầu dân ý, Quốc hội Thuỵ Điển đã quyết định sẽ ngừng các nhà máy điện hạt nhân vào năm 2010 Sau sự cố Chenobyl năm 1986, trước sức ép của công luận, nhiều nước Tây Âu như Đức, Ý, Tây Ban Nha, Thuỵ Sĩ, Bỉ, Hà Lan,… đã tuyên bố rút hoặc không tiếp tục phát triển điện hạt nhân nữa Những nhà máy đang hoạt động sẽ được tiếp tục vận hành cho đến khi hết sử dụng Ngược lại với xu hướng trên, hai quốc gia Pháp và Phần Lan vẫn tiếp tục duy trì, phát triển và xây dựng mới các nhà máy điện hạt nhân.

Hiện nay, Tây Âu đang vận hành và khai thác 140 lò năng lượng hạt nhân với tổng công suất 122.480 MW và sản lượng điện 855 tỷ kWh, chiếm 35% tổng nhu cầu điện năng Điện hạt nhân chiếm tỉ lệ cao nhất trong cơ cấu nguồn điện, tiếp theo là nhiệt điện than (29%) và nhiệt điện khí (15%) Khu vực Tây Âu là một trong những khu vực phát triển nhất thế giới, đã đạt đến độ chín mùi và hoàn thiện, do đó mức tăng trưởng nhu cầu điện năng hàng năm thấp Theo IEO–2004, mức tăng trưởng nhu cầu điện năng trung bình hàng năm của Tây Âu trong 25 năm tới là 1,3%/năm Để giải quyết vấn đề năng lượng, các nước Tây Âu hiện nay thực hiện chính sách mở cửa thị trường điện và đẩy mạnh sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió

Khu vực Đông Âu và Liên Xô cũ những năm gần đây, nền kinh tế của khu vực này đã phục hồi trở lại và điện hạt nhân vẫn được tiếp tục chú ý phát triển, đặc biệt tại Liên bang Nga, Ucraina, Hungari, Bungari và Séc Công suất điện hạt nhân của Nga hiện nay là 21.000 MW, dự kiến, công suất này sẽ tăng lên tới 25.000 MW vào năm 2010 và 32.000 MW vào năm 2020 Để nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế, chủ yếu Nga sẽ dùng các cỗ máy hạt nhân thế hệ thứ ba Ucraina sẽ tiếp tục hoàn thành hai lò đang xây dựng dở dang, không cần đến sự hỗ trợ tài chính của Ngân hàng tái thiết và phát triển châu Âu Hungari sẽ kéo dài sử dụng 4 tổ máy hiện tại lên 40 năm thay vì 30

năm như dự kiến ban đầu Bungari sẽ xây dựng thêm 2 lò mới loại 1.000 MW để bù lại các lò cũ phải đóng cửa.

Khu vực Bắc Mỹ cũng như Tây Âu, Bắc Mỹ là khu vực phát triển đỉnh cao Trong 25 năm tới, mức tăng trưởng nhu cầu điện năng trung bình hàng năm của Mỹ là 1,8%/năm và Canada là 1,6%/năm Mặc dù mức gia tăng nhu cầu điện năng không cao, nhưng chính sách của Mỹ là tiếp tục ủng hộ mở rộng năng lượng hạt nhân, 19 lò đã được cấp phép kéo dài thời gian sử dụng thêm 20 năm nữa Nhà máy điện hạt nhân Browns Fery mới xây dựng có kế hoạch đưa vào vận hành vào năm 2007 Dự báo, công suất điện hạt nhân của Mỹ năm 2005 là 102.600 MW Chính sách của Canada là tiếp tục mở rộng công suất điện hạt nhân của mình, trước hết là tái khởi động lại các nhà máy tạm thời bị đóng cửa Hiện tại, Canada có 17 lò đang hoạt động và đã lên kế hoạch đến 2007 sẽ đưa thêm 4 lò nữa có công suất 2.060 MW vào khai thác Dự báo, công suất điện hạt nhân của Canada vào năm 2025 là 12.350 MW.

Khu vực châu Á là khu vực có nền kinh tế năng động, tốc độ tăng trưởng rất cao, bình quân 5-7%/năm, riêng Trung Quốc đạt gần 10%/năm, do đó, nhu cầu về năng lượng rất lớn Hơn nữa, hai nước Trung Quốc và Ấn Độ phải đối mặt với sức ép về dân số (2/5 dân số thế giới), còn hai nước Nhật Bản và Hàn Quốc đều thiếu tài nguyên năng lượng Để đảm bảo an ninh năng lượng, các nước này đều đã lựa chọn giải pháp phát triển điện hạt nhân Hai nước có sản lượng điện hạt nhân lớn nhất khu vực là Nhật Bản và Hàn Quốc Nhật Bản đang vận hành 54 tổ máy và đang xây dựng thêm 3 tổ máy Mặc dù gần đây, có một số vấn đề trong ngành công nghiệp hạt nhân, nhưng Nhật Bản vẫn lên kế hoạch xây thêm 13 tổ máy mới tổng công suất 13.000 MW trước năm 2010 Tổng công suất điện hạt nhân của Nhật sẽ tăng lên tới 56.880 MW vào năm nay Hàn Quốc hiện đang vận hành 18 tổ máy và đến năm 2015 có thêm 15 tổ máy mới Hàn Quốc đang phát triển thế hệ lò mới công suất lên tới 1.400 MW mang tên APR–1400 trên cơ sở thế hệ lò hạt