Bài 24: Công nghiệp hạt nhân

1. Kiến thức trọng tâm

Công nghiệp hạt nhân khai thác năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân để sản xuất điện và phục vụ nhiều lĩnh vực khác. Nhiên liệu phổ biến là urani-235. Khi một hạt nhân ${}^{235}_{92}\text{U}$ hấp thụ một nơtron, nó vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn đồng thời giải phóng thêm 2–3 nơtron mới và một năng lượng khoảng $200,\text{MeV}$ cho mỗi phân hạch. Các nơtron mới lại gây ra phân hạch tiếp theo, tạo thành phản ứng dây chuyền. Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được điều khiển để duy trì ở mức ổn định bằng các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ nơtron mạnh như cađimi hoặc bo.

Nhà máy điện hạt nhân gồm lò phản ứng, hệ thống trao đổi nhiệt và tua-bin – máy phát điện. Nhiệt từ lò phản ứng làm nước sôi tạo hơi, hơi nước làm quay tua-bin kéo máy phát điện, tương tự như nhà máy nhiệt điện nhưng không đốt nhiên liệu hoá thạch nên không thải khí nhà kính trong quá trình vận hành. Ngoài sản xuất điện, đồng vị phóng xạ còn được dùng trong y học, công nghiệp và nông nghiệp.

Tuy nhiên, công nghiệp hạt nhân cũng đặt ra thách thức về an toàn và xử lí chất thải phóng xạ. Chất thải phóng xạ phải được lưu giữ, cách li an toàn trong thời gian dài. Các sự cố như Chernobyl và Fukushima cho thấy yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn trong thiết kế và vận hành nhà máy điện hạt nhân.

2. Ví dụ minh họa

Một nhà máy điện hạt nhân có công suất điện $P = 1000,\text{MW}$ với hiệu suất chuyển đổi là $33%$ . Công suất nhiệt cần thiết từ lò phản ứng là $P_{\text{nhiệt}} = \dfrac{1000}{0{,}33} \approx 3030,\text{MW}$ . Mỗi phân hạch ${}^{235}\text{U}$ toả khoảng $200,\text{MeV} \approx 3{,}2 \times 10^{-11},\text{J}$ . Số phân hạch cần thiết mỗi giây là $\dfrac{3{,}03 \times 10^9}{3{,}2 \times 10^{-11}} \approx 9{,}5 \times 10^{19}$ phân hạch/s, tương ứng khoảng $1,\text{kg}$ urani-235 mỗi ngày — ít hơn rất nhiều so với hàng nghìn tấn than mà nhà máy nhiệt điện cùng công suất cần đốt.

3. Ghi nhớ

Nhiên liệu hạt nhân phổ biến: urani-235; mỗi phân hạch toả khoảng $200,\text{MeV}$ .
Phản ứng dây chuyền: nơtron từ phân hạch trước gây ra phân hạch tiếp theo.
Thanh điều khiển hấp thụ nơtron, giữ phản ứng dây chuyền ở mức ổn định.
Nhà máy điện hạt nhân: lò phản ứng → hơi nước → tua-bin → máy phát điện.
Ưu điểm: công suất lớn, không thải khí nhà kính khi vận hành. Thách thức: an toàn và xử lí chất thải phóng xạ.

1. Kiến thức trọng tâm

Công nghiệp hạt nhân khai thác năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân để sản xuất điện và phục vụ nhiều lĩnh vực khác. Nhiên liệu phổ biến là urani-235. Khi một hạt nhân

{}^{235}_{92}\text{U}

hấp thụ một nơtron, nó vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn đồng thời giải phóng thêm 2–3 nơtron mới và một năng lượng khoảng

200,\text{MeV}

cho mỗi phân hạch. Các nơtron mới lại gây ra phân hạch tiếp theo, tạo thành phản ứng dây chuyền. Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được điều khiển để duy trì ở mức ổn định bằng các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ nơtron mạnh như cađimi hoặc bo.

2. Ví dụ minh họa

Một nhà máy điện hạt nhân có công suất điện

P = 1000,\text{MW}

với hiệu suất chuyển đổi là

33%

. Công suất nhiệt cần thiết từ lò phản ứng là

P_{\text{nhiệt}} = \dfrac{1000}{0{,}33} \approx 3030,\text{MW}

. Mỗi phân hạch

{}^{235}\text{U}

toả khoảng

200,\text{MeV} \approx 3{,}2 \times 10^{-11},\text{J}

. Số phân hạch cần thiết mỗi giây là

\dfrac{3{,}03 \times 10^9}{3{,}2 \times 10^{-11}} \approx 9{,}5 \times 10^{19}

phân hạch/s, tương ứng khoảng

1,\text{kg}

urani-235 mỗi ngày — ít hơn rất nhiều so với hàng nghìn tấn than mà nhà máy nhiệt điện cùng công suất cần đốt.

3. Ghi nhớ

Nhiên liệu hạt nhân phổ biến: urani-235; mỗi phân hạch toả khoảng

200,\text{MeV}

Phản ứng dây chuyền: nơtron từ phân hạch trước gây ra phân hạch tiếp theo.

Thanh điều khiển hấp thụ nơtron, giữ phản ứng dây chuyền ở mức ổn định.

Nhà máy điện hạt nhân: lò phản ứng → hơi nước → tua-bin → máy phát điện.

Ưu điểm: công suất lớn, không thải khí nhà kính khi vận hành. Thách thức: an toàn và xử lí chất thải phóng xạ.