Bài báo này sẽ giới thiệu ngắn gọn về vật liệu nano và thảo luận về những cách mà một số hạt nano này có thể làm cho các nhà máy điện hạt nhân hoạt động hiệu quả hơn. Mời các bạn tham khảo!
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ VẬT LIỆU NANO: TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG LỚN CHO CÁC HẠT CĨ KÍCH THƯỚC NHỎ Hồng Văn Đức Viện Công nghệ xạ GIỚI THIỆU nhà máy điện hạt nhân hoạt động hiệu Nhà máy điện hạt nhân (NPP) sở lớn, phức tạp đắt tiền Ở Hoa Kỳ điện hạt nhân cung cấp khoảng 19% tổng lượng điện Trong trình hoạt động nhà máy điện hạt nhân tiêu thụ lượng nước khổng lồ [1] Tuy nhiên, có loại hạt nhỏ nghiên cứu để hỗ trợ cho nhà máy điện hoạt động hiệu chi phí thấp Bài báo giới thiệu ngắn gọn vật liệu nano thảo luận cách mà số hạt nano làm cho THẢO LUẬN Vật liệu nano, số vật liệu tiên tiến nay, có tiềm ứng dụng nhiều ngành công nghiệp điện tử, quang học, luyện kim, lượng, mơi trường, quốc phịng,…vv Trong mười lăm đến hai mười năm trước, nhà nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp, xác định cấu trúc tính chất vật liệu nano Gần Hình 1: hình dung, mối quan hệ kích thước 58 Số 68 - Tháng 9/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN đây, đua nghiên cứu tổng hợp, thiết kế, thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano để giải vấn đề khó khăn lượng quốc phịng diễn sơi Vật liệu nano, trạng thái không bị kết tụ, có kích thước hạt khoảng 1-100 nm chiều thông thường chiều Loại vật liệu khơi dậy trí tưởng tượng nhà khoa học kỹ sư ứng dụng vật liệu nano để giải vấn đề khó khăn lượng, quốc phịng, chăm sóc sức khỏe điện tử….vv số thay đổi tỷ lệ diện tích bề mặt/kích thước lớn kích thước hạt nhỏ Điều có ý nghĩa sâu rộng cách hạt tương tác với ánh sáng, nhiệt tương tác với hạt khác Các nhà nghiên cứu có tầm nhìn xa tìm cách mà đặc tính thú vị vật liệu nano ứng dụng nhà máy điện hạt nhân làm cho nhà máy điện hạt nhân hoạt động hiệu Một điều quan trọng trình truyền nhiệt, khả truyền nhiệt cao diện Để cung cấp nhìn tổng thể quy mơ, hình tích tiếp xúc lớn Nhưng điều liên quan đưa mối quan hệ kích thước đối đến hạt nano? Khi hạt trở nên nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt hạt tượng khác Vật liệu nano, vật liệu có cấu trúc nano khơng với thể tích tăng lên nhanh Vì dẫn phải mới, thực xuất tự nhiên nhiệt qua thể tích hàm diện tích bề khắp trái đất, ví dụ như: vi rút, lớp phủ sen, mặt, hạt có tỷ lệ diện tích bề mặt thể tích đáy bàn chân tắc kè số cấu trúc đất lớn thay đổi nhiệt độ nhanh Nếu bạn đặt lượng lớn hạt lạnh nhỏ vào vùng sét, kaolanh…vv nước nóng, hạt nóng lên nhanh chóng Nếu Một ứng dụng lâu đời ghi bạn lấy khối lượng hạt, thay nhận vật liệu nano có từ thời Lycurgus Cup nén thành hạt lớn, hạt lớn ấm (La Mã kỷ thứ 4), loại thủy tinh làm lên từ từ Các hạt nhỏ truyền nhiệt hiệu từ thủy tinh có chứa hạt nano vàng nano hạt lớn bạc Kết ly có màu xanh lục chiếu sáng từ bên ngồi, lại có màu Vậy điều liên quan đến nhà đỏ chiếu sáng từ bên [2] Hiệu ứng máy điện hạt nhân? Các nhà máy điện hạt nhân kết việc lọc bước sóng ánh sáng hoạt động sử dụng nhiều nước dựa vào khác vật liệu nano tùy thuộc vào trình truyền nhiệt, trao đổi nhiệt để chuyển điều kiện ánh sáng khác Tất nhiên, người đổi lượng hạt nhân thành điện Các La Mã họ sử dụng hạt nano lò phản ứng phổ biến phương Tây lò phản ứng nước áp lực (PWR) Trong lò PWR, trình chế tạo loại thủy tinh phận làm lạnh sơ cấp (nước) bơm vào lõi lị Nhưng điều làm cho hạt nano trở nên thú phản ứng áp suất cao, lõi nước nung vị độc đáo vậy? Câu trả lời phụ thuộc nóng nhiệt tạo từ phản ứng hạt nhân, vào vật liệu ứng dụng cụ thể Vật liệu có kích nước nung nóng sau chảy đến thước từ nm đến 100 nm nằm hiệu ứng phận thứ cấp để truyền nhiệt mà mang, lượng lượng tử nguyên tử, phân tử tính chất nhiệt làm nước sôi tạo nước để vật liệu khối Đây vùng kích thước mà nhiều quay tuốc bin, phát điện Sau qua tính chất vật lý, tính chất nhiệt, tính chất điện tuốc bin, nước thu giữ ngưng tụ để vật liệu thay đổi khác với vật liệu dạng khối Một tái chế Nước thu hồi sau đưa Số 68 - Tháng 9/2021 59 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN trở lại máy tạo nước Tuy nhiên, lượng đáng kể lượng nước bị thất vào khí thơng qua hệ thống nước làm mát thứ ba sử dụng để ngưng tụ nước Một lượng lớn nước (ở dạng nước) thải môi trường trình Một loại vật liệu nano gọi hạt nano thay đổi pha lõi-vỏ (core-shell) giúp giảm lượng nước thất thoát Đầu tiên, phân tích tên hạt nano Danh pháp lõi-vỏ đề cập đến thực tế là, hạt có tâm làm từ vật liệu khác vỏ làm từ vật liệu khác Phần lõi hạt chuyển từ thể lỏng sang thể rắn ngược lại tùy vào điều kiện môi trường Những hạt nano trộn vào nước sử dụng để vận chuyển nhiệt sinh lò phản ứng Sau trộn vào nước lò phản ứng, lõi hạt tan chảy lấy lượng nhiệt từ nước nóng Vật liệu nóng chảy lõi hạt chứa lớp vỏ, lớp vỏ trạng thái rắn nhiệt độ nước lị phản ứng Do đó, nước rời lị phản ứng, mang theo hạt nhỏ chứa bó lượng nhiệt lỏng bọc lõi rắn Điều nói lên hạt nano di chuyển đến tháp làm mát, chúng đông đặc lại tản nhiệt nước xung quanh, làm giảm lượng nước cần thiết để chuyển đổi nhiệt lị phản ứng tạo Hơn nữa, hạt nano khơng hóa nên chúng dễ dàng giữ lại để tái chế Viện Nghiên cứu Năng lượng Điện làm việc với nhà khoa học Phịng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Hoa Kỳ để thương mại hóa hạt nano gợi ý cơng nghệ làm giảm nhu cầu nước nhà máy điện tới 20% [3] Hình mơ hình hạt nano (với vật liệu lõi thay đổi pha) nước kỳ vọng cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt giảm tiêu thụ nước nhà máy điện hạt nhân Điểm nhấn việc nghiên cứu phát triển tổng hợp phát triển hạt nano có lõi chuyển pha “lõi-vỏ” có ứng dụng quy mơ lớn Các mơ hình lý thuyết tiến hành để nghiên cứu tác động lên truyền nhiệt quy mô nano Các đặc tính thành phần hạt, kích thước, hình dạng, nồng độ nhiệt độ tốc độ dòng chảy…vv Dựa cơng trình này, hạt nano tổng hợp Các kỹ thuật vi nhũ tương sử dụng để sản xuất vật liệu lõi thay đổi pha, sau q trình lắng đọng pha Hình 2: Các hạt nano với vật liệu lõi thay đổi pha kỳ vọng cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt giảm tiêu thụ nước nhà máy điện hạt nhân 60 Số 68 - Tháng 9/2021 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN hóa học, lắng đọng pha vật lý, quang hóa lị phản ứng Để chứng minh điều này, nhà lắng đọng lớp ngun tử có kiểm sốt để tạo nghiên cứu nung nóng sợi dây thép giống có đường kính mm Một dây vỏ hạt nano ngâm nước, dây lại ngâm chất lỏng chứa hạt nano alumin Các dây đốt nóng đến làm sơi chất lỏng xung quanh Sau đun sôi dây kiểm tra kính hiển vi điện tử Ảnh SEM hình cho thấy sợi dây nung nóng chất lỏng nano phủ hạt nano, sợi dây cịn lại trì bề mặt nhẵn ban đầu [4] Một ứng dụng quan trọng vật liệu nano sử dụng hệ thống làm mát phần lõi khẩn cấp (ECCS) lò phản ứng hạt nhân Chất lỏng nano có khả vận chuyển nhanh chóng lượng lớn lượng nhiệt ECCS hệ thống dự phòng, độc lập thiết kế để tắt lò phản ứng cách an tồn trường hợp xảy cố có trục trặc hoạt động Một thành phần hệ thống ECCS máy bơm chất làm mát dự phòng phun trực tiếp lên bó nhiên liệu Vì chất lỏng nano làm tăng hiệu truyền nhiệt nước lên 50% hơn, nên số nhà nghiên cứu gợi ý hạt nano hữu ích tình khẩn cấp [5] Hình 3: a) Dây thép ngâm nước; b) dây thép ngâm dung dịch nano Al2O3 Nhà máy điện hạt nhân điện than chiếm khoảng 3% tổng lượng nước tiêu thụ Hoa Ngoài ra, giải pháp truyền nhiệt Kỳ Nhìn chung, nhà máy điện hạt nhân tiêu nghiên cứu áp dụng Trong lò phản ứng thụ khoảng 400 gallon nước cho megawattnước áp lực nhiên liệu tiếp xúc trực (MWh) Các nhà máy điện than khí đốt tự tiếp với nước Tuy nhiên, vi bong bóng hình nhiên tiêu thụ khoảng 300 100 gallon/ thành bề mặt nhiên liệu làm giảm MWh Do đó, nhà máy điện hạt nhân đáng kể hiệu suất trao đổi nhiệt Một phịng thí có lợi đáng kể có giải pháp tiết kiệm nghiệm Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nước [6] nghiên cứu triển khai phủ hạt nano alumina lên nhiên liệu ngăn chặn NHẬN XÉT tích tụ bong bóng nhiên Ngồi việc phân tích lợi ích chi phí, phải thực liệu Kết làm tăng đáng kể hiệu suất trao thử nghiệm diện rộng để đảm bảo việc ứng đổi nhiệt làm tăng hiệu suất Số 68 - Tháng 9/2021 61 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN dụng lâu dài hạt nano mà không đe dọa Tyagi, J Appl Phys 113, 011301, 2013 đến an toàn vận hành nhà máy điện hạt “Water Use and Nuclear Power Plants,” Nuclear Ennhân Để thực điều này, lò phản ứng quy ergy Institute, 2013 mô nhỏ (như lò phản ứng đặt sở nghiên cứu trường đại học) kiểm tra hạt suốt nhiều năm để theo dõi tác động việc sử dụng lâu dài Những nhược điểm tiềm ẩn bao gồm gia tăng ăn mòn, tắc nghẽn hệ thống rò rỉ hạt nano vào nước thải…vv Các chuyên gia chống ăn mòn cần thiết để nghiên cứu xác nhận mức độ mà hạt nano đóng góp vào lão hóa tổng thể lò phản ứng mà chúng sử dụng Sẽ cần nhà chế tạo hạt nano nhà thủy động lực học để đảm bảo việc tắc nghẽn hệ thống kiểm sốt Ngồi ra, chuyên gia Cơ quan Bảo vệ Môi trường phải thiết lập phương pháp tốt để giảm thiểu lượng vật liệu nano mơi trường, hiểu đánh giá tác động mơi trường vật liệu thải Các ứng dụng tiềm công nghệ nano nhà máy điện hạt nhân không dễ dàng cần phải đầu tư nghiên cứu sâu Tuy nhiên, thách thức lớn, thật đáng khích lệ thấy cơng nghệ nano ứng dụng nhà máy điện, điện hạt nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO DOE U.S Energy Information Administration, Annual Energy Review, 2011 I Freestone, N Meeks, M Sax, and C Higgitt, Gold Bulletin 40, 270-277, 2007 Multifunctional Particles for Reducing Cooling Tower Water Consumption,” Electric Power Research Institute, 2012 S.J Kim, I.C Bang, J Buongiorno, and L.W Hu, Int J Heat Mass Transf., 50, 2007 R Taylor, S Coulomb, T Otanicar, P Phelan, A Gunawan, W Lv, G Rosengarten, R Prasher, and H 62 Số 68 - Tháng 9/2021 ... mặt /kích thước lớn kích thước hạt nhỏ Điều có ý nghĩa sâu rộng cách hạt tương tác với ánh sáng, nhiệt tương tác với hạt khác Các nhà nghiên cứu có tầm nhìn xa tìm cách mà đặc tính thú vị vật liệu. .. Nếu Một ứng dụng lâu đời ghi bạn lấy khối lượng hạt, thay nhận vật liệu nano có từ thời Lycurgus Cup nén thành hạt lớn, hạt lớn ấm (La Mã kỷ thứ 4), loại thủy tinh làm lên từ từ Các hạt nhỏ truyền... hình tích tiếp xúc lớn Nhưng điều liên quan đưa mối quan hệ kích thước đối đến hạt nano? Khi hạt trở nên nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt hạt tượng khác Vật liệu nano, vật liệu có cấu trúc nano khơng