Năng lượng hạt nhân là gì?

Trong bài viết của mình , tôi đã thảo luận về năng lượng hạt nhân là gì , những lợi ích và tác hại của năng lượng hạt nhân và các vấn đề năng lượng hạt nhân trên thế giới. Mọi thứ xung quanh bạn đều được tạo thành từ những đơn vị nhỏ bé gọi là nguyên tử. Phần lớn khối lượng của mỗi nguyên tử tập trung ở trung tâm (hạt nhân), và phần còn lại của khối lượng nằm trong đám mây electron bao quanh hạt nhân. Proton và neutron là các hạt hạ nguyên tử tạo nên hạt nhân. Trong những điều kiện nhất định, hạt nhân của một nguyên tử rất lớn có thể tách ra làm đôi. Kết quả của sự phân tách này, một lượng nhất định khối lượng của nguyên tử được chuyển thành năng lượng tinh khiết theo công thức nổi tiếng của Einstein E = mc 2 ; nơi m; lượng khối lượng, nếu c; là tốc độ ánh sáng. (Tốc độ ánh sáng trong chân không được tính là 299.792.458 m / s.)

Vào những năm 1930 và 40, người ta đã phát hiện ra năng lượng hạt nhân này và muốn sử dụng tiềm năng của nó như một vũ khí. Công nghệ được phát triển tại Dự án Manhattan đã sử dụng thành công năng lượng này trong một phản ứng dây chuyền để tạo ra một quả bom hạt nhân. II. Ngay sau khi Thế chiến II kết thúc, nguồn năng lượng mới được phát hiện này được sử dụng để thúc đẩy hải quân hạt nhân, cung cấp cho tàu ngầm động cơ có thể chạy hơn một năm mà không cần tiếp nhiên liệu. Công nghệ này sau đó đã xuất hiện trong lĩnh vực năng lượng. Tuy nhiên, nhiều nhà máy điện hạt nhân đã được thành lập.

Năng lượng hạt nhân trên thế giới

Quốc gia lò phản ứng Tổng số chia sẻ
Người làm việc Đang xây dựng
Argentina 3 1 % 4.7
Armenia 1 0 % 25.6
Bangladesh 0 2 N / A
Belarus 0 2 N / A
nước Bỉ 7 0 % 39.0
Brazil 2 1 % 2.7
Bungari 2 0 % 34.7
Canada 19 0 % 14.9
người Trung Quốc 46 11 % 4.2
Cộng hòa Séc 6 0 % 34.5
Phần Lan 4 1 % 32.4
Nước pháp 58 1 % 71.7
nước Đức 7 0 % 11.7
Hungary 4 0 % 50.6
Ấn Độ 22 7 % 3.1
İran 1 0 % 2.1
Nhật Bản 42 2 % 6.2
Nam Triều Tiên 24 4 % 23.7
Người Mexico 2 0 % 5.3
Hà lan 1 0 % 3.0
Pakistan 5 2 % 6.8
Romania 2 0 % 17.2
Nga 37 6 % 17.9
Xlô-va-ki-a 4 2 % 55.0
Slovenia 1 0 % 35.9
Nam Phi 2 0 % 4.7
Tây Ban Nha 7 0 % 20.4
Thụy Điển 8 0 % 40.3
Thụy sĩ 5 0 % 37.7
Đài loan 6 2 % 11.4
gà tây 0 1 N / A
Ukraine 15 2 % 53.0
các Tiểu Vương Quốc Ả Rập Thống Nhất 0 4 N / A
Nước Anh 15 1 % 17.7
nước Mỹ 99 2 % 19.3
Tổng cộng 457 54

Nguồn: dữ liệu iaea 2018

Trong khi rất nhiều quốc gia đang sử dụng năng lượng hạt nhân, tại sao chúng ta lại không sử dụng

Có hai quy trình hạt nhân cơ bản để sản xuất năng lượng. Này; phân hạch và hợp nhất. Để biết thông tin chi tiết, bạn có thể đọc các bài viết sau:

  • Nedir hư cấu
  • Fusion là gì

Nói một cách ngắn gọn , phân hạch là sự phân tách các nguyên tử lớn như Uranium hoặc Plutonium thành hai nguyên tử nhỏ hơn khác nhau được gọi là sản phẩm phân hạch. Để tách một nguyên tử trong quá trình phân hạch này, bạn phải đánh nó bằng một neutron. Trong quá trình phân chia này, năng lượng và các neutron mới được giải phóng. Năng lượng này khoảng 200 MeV. Đó là khoảng 3.204E-11 Joules. Các neutron mới được hình thành sẽ phá vỡ các nguyên tử khác. Những sự phân chia này tiếp tục diễn ra nhanh chóng, dẫn đến phản ứng hạt nhân dây chuyền. Tất cả các nhà máy điện hạt nhân thương mại đều chuyển đổi nhiệt năng từ phản ứng này thành động năng. Hình ảnh dưới đây cho thấy sự phân tách của nguyên tử uranium 235. Mô phỏng sự kiện này được hiển thị trong video ngay bên dưới nó.

Để nói ngắn gọn về nhiệt hạch ; Nhiệt hạch là sự kết hợp các nguyên tử nhỏ như hydro hoặc heli để tạo thành các nguyên tử lớn hơn và tạo ra năng lượng từ nó. Những phản ứng này có thể giải phóng nhiều năng lượng hơn từ sự phân hạch mà không tạo ra nhiều sản phẩm phụ phóng xạ. Phản ứng nhiệt hạch thường bao gồm các phản ứng nhiệt hạch sử dụng hydro làm nhiên liệu và tạo ra chất thải heli. Phản ứng này vẫn chưa được phát triển thương mại và là một chủ đề nghiên cứu nghiêm túc trên toàn thế giới vì hứa hẹn về năng lượng hầu như không giới hạn, ít ô nhiễm và không sinh sôi nảy nở. Nhấp vào liên kết hợp nhất ở trên để biết thêm chi tiết 🙂

Kiểm soát nhiệt hạch như thế nào? Bạn cần ba điều để đạt được sự hợp nhất trên thực tế. Này:

  • Nhiệt độ cao (để va chạm có thể vượt qua lực đẩy tĩnh điện),
  • mật độ cao
  • Một thời gian dài (quá nhiều va chạm)

Có ba cách chính mà các nhà khoa học làm để thực hiện điều này:

  • Sự giam giữ quán tính – Sử dụng tia laze, tia X hoặc nén cơ học để ép các nguyên tử lại với nhau rất tốt. Ví dụ bao gồm Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kỳ
  • Chứa từ tính – Việc sử dụng nam châm siêu dẫn để liên kết các nguyên tử với nhau. Ví dụ bao gồm tokamaks, stellerator, Spellaks, v.v.
  • Sự giam giữ trọng lực – Sử dụng một hành tinh có khối lượng lớn để cung cấp đủ lực hấp dẫn để gây ra phản ứng tổng hợp. Mặt trời và các vì sao làm được điều này, nhưng con người không thể sớm làm được.

Tôi đã ở trong một lò phản ứng nhiệt hạch cũ ở Nga. Đó là một cảnh quay nghiệp dư, bạn có thể xem 🙂

Cường độ năng lượng của các nguồn nhiên liệu khác nhau

Lượng năng lượng giải phóng trong phản ứng hạt nhân là rất nghiêm trọng. Bảng dưới đây cho thấy một bóng đèn 100 Watt có thể sử dụng trong bao lâu với 1 kg nhiên liệu khác nhau. Uranium trải qua quá trình phân hạch hạt nhân, dẫn đến mật độ năng lượng rất cao. Bạn có thể thấy sự khác biệt này trong bảng dưới đây.

Loại nhiên liệu Mật độ năng lượng (MJ / kg) Thời gian đốt đèn 100W (1kg)
Gỗ 10 1,2 ngày
Ethanol 26.8 3,1 ngày
Than đá 32.5 3,8 ngày
Ham xăng 41.9 4,8 ngày
Dầu diesel 45.8 5,3 ngày
Uranium tự nhiên (LWR) 5.7×105 182 ngày
Uranium cấp lò phản ứng (LWR) 3.7×106 1.171 ngày
Uranium tự nhiên (Lò phản ứng tạo ra) 8.1×107 25.700 ngày
Thorium (Lò phản ứng tạo ra) 7.9×107 25.300 ngày

LWR: lò phản ứng nước nhẹ, lò phản ứng giống

Đối với những người tò mò, chúng tôi tính toán mật độ năng lượng từ công thức dưới đây.

mật độ năng lượng

  • ngư là năng lượng tỏa ra trong mỗi lần phân hạch đối với mỗi hạt nhân. Các giá trị này được các nhà khoa học đo lường và thu thập trong các tệp dữ liệu hạt nhân, chẳng hạn như các giá trị được tìm thấy tại Trung tâm Dữ liệu Hạt nhân Quốc gia. Để tiếp cận nó, hãy thực hiện tìm kiếm trên google cho “tệp dữ liệu hạt nhân được đánh giá”.
  • NA là số của Avogadro Nó là 6,02214199 × 10 23 . Con số này là số nguyên tử trên một mol. Vì chúng ta đã giả định 100% nguyên tử phân hạch nên con số này bằng số lượng phân hạch trên mỗi mol.
  • A là khối lượng nguyên tử của các hạt nhân tương ứng.

Dưới đây là các giá trị mẫu cho 2 phần tử.

Vật chất Năng lượng giải phóng mỗi lần phân hạch (MeV) Khối lượng nguyên tử (g / mol) Mật độ năng lượng (MJ / kg)
U-235 193.4 235.04 79,390,000
U-238 198.9 238.05 80,620,000

Lưu ý cho những người tò mò : Phân hạch không phải là quá trình duy nhất trong các lò phản ứng hạt nhân giải phóng năng lượng. Actinide, các sản phẩm phân hạch, và thậm chí một số nuclide chất làm lạnh có cấu trúc thường trải qua các phản ứng bắt giữ phát ra năng lượng mà không phân hạch. Tỷ lệ năng lượng do lò phản ứng hạt nhân tạo ra từ các phản ứng này có thể lên tới ≅7% tổng công suất của lò.

Lợi ích của năng lượng hạt nhân

1- Bền vững:Có thể thấy từ bảng mật độ năng lượng, lượng năng lượng do năng lượng hạt nhân cung cấp tóm tắt khá tốt về tính bền vững của nó. Tuy nhiên, có quá nhiều suy nghĩ về nhiên liệu hạt nhân (uranium) đến nỗi nó sẽ sớm cạn kiệt, giống như dầu mỏ. Về mặt kỹ thuật, đây không phải là vấn đề vì chất thải hạt nhân có thể tái chế được. Riêng về mặt kinh tế, nó có thể trở thành một vấn đề lớn. Các lò phản ứng hạt nhân ngày nay đốt cháy ít hơn 3% nhiên liệu và phần còn lại được giữ lại. (làm cạn kiệt uranium và chất thải hạt nhân). Chương trình tái chế của Hoa Kỳ đã ngừng hoạt động vào những năm 70 do sự gia tăng và những lo ngại về kinh tế. Ngày nay, Pháp và Nhật Bản đã thành công trong việc tái chế nhiên liệu. Có một công nghệ mới có thể làm giảm đáng kể những lo ngại về gia tăng. Theo trữ lượng uranium do IAEA Hoa Kỳ công bố năm 2005, Người ta khẳng định rằng có trữ lượng uranium hơn 200 năm. Nhiên liệu Thori cũng có thể được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân.

2- Về sinh thái: Các nhà máy điện hạt nhân không thải ra môi trường bất cứ thứ gì ngoại trừ nước nóng. Biểu tượng tháp giải nhiệt cổ điển của lò phản ứng hạt nhân làm được điều đó. Mọi thứ đều là hơi nước tinh khiết. Một lượng rất nhỏ CO2 , hoặc khí biến đổi khí hậu, đến từ quá trình sản xuất điện hạt nhân (một số CO2 chắc chắn được tạo ra trong quá trình khai thác, xây dựng, v.v.), nhưng lượng này ít hơn 50 lần so với than và 25 lần so với khí tự nhiên. nhà máy điện). Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng (chất thải hạt nhân) có thể được sử dụng và xử lý đúng cách về mặt địa chất mà không ảnh hưởng đến môi trường dưới bất kỳ hình thức nào. Vào tháng 3 năm 2013, cựu nhà khoa học NASA James Hansen đã công bố một bài báo cho thấy năng lượng hạt nhân đã cứu sống tổng cộng 1,8 triệu sinh mạng trên toàn thế giới bằng cách thay thế ô nhiễm không khí, một kẻ giết người được biết đến. trên Google “Bạn có thể đến bài viết liên quan bằng cách tìm kiếm es3051197 .

3- Tự do: Năng lượng hạt nhân có thể mang lại độc lập về năng lượng cho nhiều quốc gia. “Nghiện dầu mỏ” là một vấn đề an ninh quốc gia và toàn cầu lớn vì nhiều lý do. Bằng cách sử dụng xe điện hoặc xe điện hybrid chạy bằng lò phản ứng hạt nhân, chúng ta có thể giảm đáng kể nhu cầu dầu của mình. Ngoài ra, nhiều thiết kế lò phản ứng hạt nhân có thể cung cấp nhiệt quá trình chất lượng cao ngoài điện, có thể được sử dụng để khử muối trong nước, điều chế hydro cho pin nhiên liệu hoặc sưởi ấm các khu vực lân cận, trong số nhiều quy trình công nghiệp khác.

Các vấn đề với năng lượng hạt nhân

1- Chất thải hạt nhân: Cùng với năng lượng giải phóng khi các nguyên tử tan rã, chúng mang theo các nguyên tử nhỏ hơn. Nó phát ra các hạt năng lượng có thể gây ra thiệt hại sinh học. Một số nguyên tử tồn tại lâu nhất vẫn không cân bằng trong hàng trăm nghìn năm. Các chất thải hạt nhân này phải được kiểm soát và không để ra ngoài môi trường ít nhất là trong thời gian dài. Thiết kế các hệ thống sẽ tồn tại lâu dài như vậy là một nhiệm vụ khó khăn.

2-Tai nạn thương tâm:Ba vụ tai nạn lớn đã xảy ra tại các nhà máy điện hạt nhân: Chernobyl, Three Mile Island và Fukushima. Chernobyl là một vụ nổ không kiểm soát được đã giải phóng một lượng lớn bức xạ ra môi trường, giết chết 50 người, yêu cầu hàng trăm nghìn người phải sơ tán hàng loạt và gây ra 4000 ca ung thư. Three Mile Island là một sự cố tan chảy một phần lõi, trong đó chất làm mát không thể làm mát lò phản ứng và khiến một số thanh nhiên liệu bị nóng chảy. Không ai bị thương và rất ít bức xạ được phát ra, nhưng cơ sở phải đóng cửa, do đó mất rất nhiều tiền cho công ty điều hành và các nhà đầu tư. Fukushima là tai nạn do một trận sóng thần lớn gây ra. Khi mất điện (máy phát điện chạy bằng dầu bị ngập nước), lò phản ứng không thể được làm mát và nhiệt độ cao đã làm nóng chảy lõi. Bức xạ đã được phát hành và công chúng đã được sơ tán.

3- Chi phí: Các nhà máy điện hạt nhân lớn hơn và phức tạp hơn các nhà máy điện khác. Nhiều hệ thống an ninh dự phòng đã được cài đặt để đảm bảo hoạt động an toàn của cơ sở. Sự phức tạp này khiến chi phí trả trước của một nhà máy điện hạt nhân cao hơn nhiều so với một nhà máy điện than tương đương. Một khi cơ sở được thành lập, chi phí nhiên liệu thấp hơn nhiều so với chi phí nhiên liệu hóa thạch. Nói chung, một nhà máy điện hạt nhân càng lớn, các nhà điều hành của nó càng kiếm được nhiều tiền. Chi phí vốn lớn ngăn cản nhiều nhà đầu tư quyết định cấp vốn cho các nhà máy điện hạt nhân.

Một cách ngắn gọn, các nhà máy điện hạt nhân hoạt động như thế nào? Nếu chúng ta giải thích cho 2 lò phản ứng đường viền; Nước trong lò phản ứng được làm nóng với năng lượng nhiệt được giải phóng do sự phân tách các nguyên tử uranium trong lò phản ứng. Nước nóng được đưa đến bộ tạo hơi nước. Tại đây, hơi nước bão hòa được sản xuất và đưa đến các tuabin. Với động năng cung cấp cho tuabin, máy phát điện sẽ tạo ra điện năng. Sau đó, hơi nước được sử dụng trong tuabin được đưa đến bình ngưng (bình ngưng), nơi nó được làm mát và chuyển hóa thành nước. (Nó được chuyển thành nước cho các quá trình lọc và làm sạch.) Sau đó, các quá trình lọc và làm sạch cần thiết được thực hiện và nó được đưa trở lại chu trình.