Kiến thức cơ bản về năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thu được nhờ các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Có ba loại phản ứng hạt nhân: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp và phân rã phóng xạ. Trong đó phản ứng phân hạch được ứng dụng chủ yếu vì tính hiệu quả của nó. 

Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission)

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 khác đã thực hiện các thí nghiệm tạo ra các sản phẩm của Uranium 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. Đây là một kết quả đáng ngạc nhiên.

Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa nhiệt. Tổng khối lượng sản phẩm không bằng tổng khối lượng tác chất ban đầu. Khối lượng bị mất đã chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, đồng thời nó giải phóng một năng lượng lớn rất hữu ích.

Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân nguyên tử bị các nơtron bắn phá thành những mảnh nhỏ khác với hạt nhân và nơtron ban đầu. Các nơtron mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng kế tiếp. Từ đó hình thành phản ứng dây. Khi phản ứng đạt đến khối lượng tới hạn, nó trở thành phản ứng tự hoạt động. Nếu có quá nhiều nơtron được sinh ra, phản ứng sẽ mất kiểm soát dẫn đến cháy nổ lớn. Để tránh điều này, người ta 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. Uranium-235 và plutoni-239 là nguyên liệu chủ yếu của phản ứng hạt nhân, có thể phát ra năng lượng đến 200-210 MeV.

​

Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission): Nơtron (màu trắng) bắn phá hạt nhân nguyên tử thành hai phần tương đối bằng nhau​.

​

Phản ứng dây chuyền (Chain reaction)​.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion)

Là loại phản ứng khác để tạo năng lượng hạt nhân. Một ví dụ thông dụng là tritium và deuterium được kết hợp để tạo ra helium và một nơtron (hình phía dưới). Không như phản ứng phân hạch, phản ứng này chỉ sinh ra năng lượng khoảng 18 MeV. Nhưng ưu điểm là nguyên liệu rẻ tiền và dễ tìm hơn Uranium.

​

Phản ứng nhiệt hạch (Nuclear Fusion)​.

Phân rã phóng xạ (Radioactive decay)

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). 

Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta); không mang điện như hạt nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân.

Tự phân hạch là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lớn. Ví dụ uranium tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra nơtron và một số hạt cơ bản khác, cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân.

Trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, tức là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu. Khối lượng bị hao hụt này chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ được tính theo công thức nổi tiếng của Albert Einstein E=mc² trong đó E là năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân, m là độ hụt khối và c = 298.000.000 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Phân rã phóng xạ (Radioactive Decay): Nguyên tử phóng xạ (Radioactive atom) không bền phát ra năng lượng bức xạ​.

Lò phản ứng hạt nhân

Ngày nay trên thế giới có khoảng 17% năng lượng điện được cung cấp bởi các nhà máy hạt nhân. Đặc biệt là ở Pháp, hơn 75% điện năng lấy từ năng lượng hạt nhân. Nguyên liệu phản ứng được nạp vào lò hạt nhân dưới hình thức những viên nhiên liệu tròn. Mỗi viên nhiên liệu chứa khoảng 3% U-235.

​

Viên nhiên liệu chứa 3% U-235/viên​.

Các viên này được cho vào thanh nhiên liệu lắp đặt xen kẽ với bộ bộ đều hòa nơtron. Nhà máy hạt nhân Comanche dùng khoảng 13 triệu viên nhiên liệu cho mỗi đợt phản ứng và để tối ưu hóa quá trình, cứ mỗi 12-18 tháng, khoảng 1/3 tới 3/4 nhiên liệu được thay mới.

Toàn bộ hệ thống được dìm ngập trong nước để giải nhiệt trong suốt quá trình phản ứng. 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. Lò phản ứng được bao quanh bởi lớp vỏ kép gồm lớp vỏ ngăn phóng xạ và lớp vỏ bảo vệ ngoài cùng. Lớp vỏ kép này làm việc hiệu quả để ngăn chặn phóng xạ rò rỉ và tác động va chạm từ bên ngoài.

​

Lò phản ứng hạt nhân.​

Tất cả các lò phản ứng tuy có kích thước và mục đích sử dụng khác nhau nhưng đều dùng nước được nung nóng bằng năng lượng của phản ứng phân hạch để tạo ra hơi nước, và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy.

Hai loại hệ thống lò thông dụng hiện nay là lò phản ứng điều áp (Pressurized Water Reactor) và lò phản ứng hơi nước (Boiling Water Reactor). Trong lò điều áp, nước được làm nóng bằng năng lượng hạt nhân và được điều chỉnh áp suất, vì vậy nước không sôi. Nước nóng này sẽ làm nóng nước trong máy phát điện hơi nước bên cạnh. Trong hệ thống lò phản ứng hơi nước, nước được làm sôi từ năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân. Nước sôi này làm chạy tuabin. Tuabin tiếp tục kích hoạt máy phát điện. Trong cả hai hệ thống, nước được tái sử dụng.

​

Hệ thống lò điều áp (Pressurized Water Reactor)​.

 Hệ thống lò phản ứng hơi nước (Boiling Water Reactor)​.

Ưu điểm của năng lượng hạt nhân

• Thải ra rất ít hoặc không có khí nhà kính. 
• Không sử dụng nguồn nguyên liệu quý giá như hidrocacbon. Lượng Uranium-235 được dùng chiếm một tỷ lệ rất nhỏ 3%/viên nhiên liệu.
• Không gây ô nhiễm môi trường bởi hạt bụi mịn
• Cung cấp năng lượng hiệu quả (cùng một thể tích nhiên liệu, phản ứng hạt nhân sinh năng lượng lớn gấp nhiều lần so với dầu mỏ và khí đốt)
• Chi phí chấp nhận được khi áp dụng quy trình sản xuất đã được tiêu chuẩn hóa.
• Ít chất thải
• Thế hệ lò phản ứng mới giúp tái tạo nguồn nguyên liệu đó là lò phản ứng tái sinh - sử dụng Urani-238 (chiếm 99,3% Uurani tự nhiên)

Hội năng lượng hạt nhân Mỹ đã so sánh năng lượng hạt nhân với các loại năng lượng khác (như trong hình): Một viên nhiên liệu Uranium-235 cung cấp năng lượng tương đương 3 thùng dầu hỏa (42 gallon/thùng), gần bằng 1 tấn than, hoặc 17.000 cubic feet (476.000 lít) khí thiên nhiên.​

Khuyết điểm năng lượng hạt nhân

• Vấn đề an toàn và mối lo ngại của cộng đồng về chất thải phóng xạ.
• Dễ xảy ra tai nạn trong sản xuất.
• Tốn kém chi phí để xây dựng nhà máy hạt nhân.
• Quá trình khai quật và tinh chế Uranium gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe vì những chất thải độc hại của nó
• Vấn đề vận chuyển và xử lý chất thải hạt nhân cần được đầu tư nhiều.
• Tuổi thọ lò phản ứng trung bình 60 năm

Nguồn: chemvn.gmlab.net/Bureau và Wikipedia