Đề tài Năng lượng hạt nhân, bạn hay thù

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ÑEÀ TAØI : GVHD : TS. Lê Văn Hoàng SVTH : Hà Cẩm Ân Trần Thị Hồng Giang Võ Thị Ngọc Lý Nguyễn Thị Tường Minh TP. HỒ CHÍ MINH Tháng 5 năm 2009 Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 1 LỜI GIỚI THIỆU Sức sống của nền văn minh chúng ta hiện nay đang dựa vào các quá trình không tái tạo, luôn gắn liền với việc sản xuất và tiêu thụ với nhịp độ ngày càng cao điện năng và các dạng nhiên liệu khác nhau cho các phương tiện vận tải đủ loại. Trữ lượng khai thác các nhiên liệu này như dầu mỏ, khí tự nhiên, than, dù có lớn đến đâu thì giờ đây có vẻ như cũng chỉ đảm bảo cho sự tồn tại của nền văn minh đó không quá 20 - 50 năm nữa, trong điều kiện không có những chấn động chính trị và kinh tế. Đó là chưa nói tới những thay đổi khôn lường về hoạt động của sinh quyển nói chung, các thảm họa sinh thái cục bộ và thay đổi khí hậu. Không có cuộc cải cách chính trị và kinh tế nào có thể giải quyết được những vấn đề đang đến gần nếu như chúng ta không có trong tay một ngành năng lượng hữu hiệu - trái tim của nền kinh tế. Cần nghiên cứu triển khai và áp dụng các nguyên lý và phương pháp khai thác năng lượng mà không can thiệp quy mô lớn vào các chu trình sinh quyển. Trước tình hình đó, không ít nhà khoa học tìm đến nguồn năng lượng hạt nhân và khẳng định hạt nhân chính là giải pháp hữu hiệu nhất cho vấn đề khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất, hạt nhân là giải pháp bảo vệ môi trường, là cách giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Ngành năng lượng hạt nhân phát triển sẽ cho phép dành riêng nguồn hữu cơ cho việc thỏa mãn nhu cầu nhân loại về năng lượng hóa học, quần áo, thực phẩm, vật liệu xây dựng, v.v. Thêm vào đó là nhiên liệu hạt nhân không cháy, nó biến thành các sản phẩm phân hạch, trong số đó có những nuclêit rất giá trị cho nền văn minh kỹ thuật gien - từ các kim loại kiềm đến các kim loại quý và các chất khí. Sử dụng năng lượng hạt nhân mở ra một quá trình tiến hóa, trong đó bao gồm cả cuộc cách mạng kỹ thuật mới dẫn tới cơ sở mới về công nghệ và năng lượng cho nền kinh tế. Hiện nay, năng lượng hạt nhân càng ngày càng được xem như công nghệ năng lượng cận tái tạo. Trong hệ thống năng lượng mới có thể chấp nhận cho việc sử dụng lâu dài và quy mô lớn, năng lượng hạt nhân sẽ thực hiện vai trò không chỉ của nguồn năng lượng hiệu quả cao, mà còn có chức năng kiểm soát mức phát thải CO2 vào khí quyển và mức phóng xạ cần thiết. Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 2 Ngược lại, có những ý kiến chống đối lại lên án các lò phản ứng nguyên tử là nguy cơ tiềm tàng dẫn đến chỗ phá hủy môi trường sống... và vụ nổ nhà máy điện nguyên tử Chernobyl năm 1986 đã là giọt nước làm tràn ly. Mặc dù năng lượng hạt nhân mang lại hiệu quả kinh tế cao nhưng các Chính phủ đều biết hiểm hoạ nếu có sự cố xảy ra. Vì vậy, những người ủng hộ và phản đối sử dụng năng lượng hạt nhân vẫn tiếp tục có những tranh luận về vấn đề này và dường như khó đạt được sự đồng thuận. Những người ủng hộ cho rằng công nghệ năng lượng hạt nhân hầu như không phát tán chất gây nhiễm không khí vì ít chất thải hơn nhiều so với các nhà máy chạy bằng nhiên liệu than, khí, dầu mà hiệu quả kinh tế lại hơn nhiều. Ngược lại, những người tham gia chiến dịch chống hạt nhân quả quyết rằng lợi ích về chi phí không là gì so với các mối lo ngại về an toàn liên quan đến chất thải hạt nhân trước mắt cũng như lâu dài, ảnh hưởng đến tính mạng con người... Tóm lại “Năng lượng hạt nhân- Bạn hay thù?” đó là câu hỏi bỏ lững. Là vấn đề cực nóng bỏng hiện nay,đã được không ít các nhà khoa học và sinh viên quan tâm. Biết được điều đó nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài này: Năng lượng hạt nhân-Bạn hay thù. Hy vọng sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu đó của các bạn sinh viên hiện nay. Trong đề tài này nhóm chúng tôi cùng các bạn sẽ đi sâu tìm hiểu nguồn năng lượng này với 3 vấn đề lớn:  Những kiến thức cơ bản về năng lượng hạt nhân.  Vì sao năng lượng hạt nhân được đánh giá là nguồn năng lượng của tương lai.  Vì sao nó cũng là mối nguy hiểm với con người. Hy vọng sau khi cùng chúng tôi nghiên cứu 3 vấn đề trên bạn sẽ có được câu trả lời cho riêng mình về vấn đề cực hot này nhé. Tên thành viên trong nhóm: Hà Cẩm Ân Trần Thị Hồng Giang Võ Thị Ngọc Lý Nguyễn Thị Tường Minh Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 3 MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .........................................................................................1 MỤC LỤC....................................................................................................3 AĐẠI CƯƠNG VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN.......................................5 I..Lịch sử năng lượng hạt nhân: .................................................................5 II.Kiến thức cơ bản: ..................................................................................6 1./Cấu tạo hạt nhân: ...............................................................................6 2./Quan hệ giữa năng lượng và khối lượng ............................................7 3./Phản ứng hạt nhân: ............................................................................8 a./Phản ứng nhiệt hạch .......................................................................9 b./Phân hạch và phản ứng dây chuyền..............................................11 B NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN > ............................12 I.Năng lượng hạt nhân: Nguồn năng lượng của tương lai.........................12 1./Năng lượng hạt nhân-giải quyết các vấn đề môi trường, kinh tế, tình trạng “khát” năng lượng. ................................................................................12 2./Nhà máy điện nguyên tử ..................................................................14 a./Khái niệm: ...................................................................................14 b./Lịch sử phát triển điện hạt nhân(ĐHN) trên thế giới đã trải qua các giai đoạn sau:..............................................................................................15 -Giai đoạn những năm 1950-1960: ......................................................15 -Giai đoạn 1970-1980:.........................................................................15 -Giai đoạn từ đầu thế kỷ XXI tới nay: ..................................................16 c./Tình hình phát điện bằng năng lượng hạt nhân .............................16 d./Xu thế điện hạt nhân trên thế giới ...........................................17 II.Năng lượng hạt nhân-giá phải trả quá đắt:............................................22 1./Vụ nổ lò phản ứng hạt nhân Chernobyl năm 1986: ..........................22 a./Hậu quả:.......................................................................................22 b./Hướng khắc phục:........................................................................25 Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 4 2./Chiến tranh hạt nhân:.......................................................................26 a./Vũ khí hạt nhân ............................................................................26 b./Hậu quả: ......................................................................................31 C.TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN:..................33 I.Châu Á: ................................................................................................34 II.VIỆT NAM: ........................................................................................36 III.QUẢN LÝ CHẤT THẢI:...................................................................40 KẾT LUẬN ................................................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................43 Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 5 A. ĐẠI CƯƠNG VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN I. Lịch sử năng lượng hạt nhân: Lịch sử của năng lượng hạt nhân khởi đầu với việc xây dựng mô hình nguyên tử. Năm 1912, nhà vật lý Ernest Rutherford (1871 - 1937) người Anh, sau khi phát hiện ra hạt nhân nguyên tử đã cùng với nhà vật lý Niels Bohr (1885 - 1962) người Đan Mạch đề xuất một mô hình nguyên tử: Nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dương được bao quanh bởi các electron. Năm 1913, Rutherford phát hiện ra proton. Năm 1932, nhà vật lý James Chadwick (1891 - 1974) người Anh phát hiện ra nơtron. Năm 1939, nhà vật lý Frederic Joliot-Curie (1900 - 1958) người Pháp cùng với các trợ lý là Lew Kowaski và Hans Von Halban đã chứng minh rằng hiện tượng phân rã hạt nhân (phân hạch) urani kéo theo sự toả nhiệt rất lớn. Việc phát hiện ra phản ứng dây chuyền sau này cho phép khai thác năng lượng hạt nhân. Trong thời gian Đại chiến thế giới lần thứ II (1939-1945), các nghiên cứu về hiện tượng phân hạch được tiếp tục tiến hành ở Mỹ, với sự tham gia của các nhà khoa học từ Châu Âu di cư sang đó. Kế hoạch Mahattan được phát động với mục đích chế tạo vũ khí hạt nhân mà hệ quả là các vụ nổ hạt nhân (bom nguyên tử) ở hai thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) vào tháng 8 năm 1945. Ngay sau chiến tranh, những nghiên cứu về năng lượng phân hạch được tiếp tục tiến hành để sử dụng vào mục đích dân sự. Ở Pháp, Ủy hội năng lượng nguyên tử Pháp (Commissariat à l'Énergie Atomique CEA) được thành lập vào năm 1945. Nhiệm vụ của Cơ quan nghiên cứu này là giúp nước Pháp làm chủ Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 6 được nguyên tử trong các lĩnh vực nghiên cứu, y tế, năng lượng, công nghiệp, an ninh và quốc phòng. II. Kiến thức cơ bản: 1./ Cấu tạo hạt nhân: - Theo giả thiết của Ivanenko-Haidenbec đưa ra năm 1932 thì hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi hai loại hạt sau:  Proton (ký hiệu p) là hạt mang điện dương, về trị số tuyệt đối bằng điện tích nguyên tố e của electron (1,6.10-19C ), có khối lượng nghỉ mp=1,67252.10-27 kg.  Nơ tron (ký hiệu là n) là hạt không mang điện, có khối lượng nghỉ mn=1,67482.10-27 kg. - Hai loại hạt proton và notron có tên gọi chung là nuclon. Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong bảng tuần hoàn Mendeleep. Điện tích của hạt nhân là +Ze. Tổng số các nuclon trong hạt nhân gọi là số khối lượng (ký hiệu A ). Như vậy số notron trong hạt nhân là N=A-Z.Người ta thường ký hiệu hạt nhân nguyên tử là AZ X . Trong nguyên tử, hầu như toàn bộ khối lượng đều tập trung ở hạt nhân vì khối lượng của các electron là quá bé so với khối lượng hạt nhân. Có thể coi hạt nhân nguyên tử như một quả cầu bán kính R. Người ta thấy rằng, R phụ thuộc vào số khối theo công thức: R=1,2.10-15A1/3 (m) - Trong hạt nhân, các nuclon tương tác nhau bằng lực hút, gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân không phài là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nuclon. So với lực điện từ và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn (còn gọi là lực tương tác mạnh) và chỉ có tác dụng khi hai nuclon cách nhau một khoảng rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước hạt nhân. Điều đó có nghĩa là, bán kính tác dụng của lực hạt nhân khoảng 10-15 m. Muốn tách nuclon ra khỏi hạt nhân, cần phải tốn năng lượng để thắng lực hạt nhân. Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 7 2./ Quan hệ giữa năng lượng và khối lượng - Bằng những kỹ thuật chính xác, người ta có thể đo khối lượng của một hạt nhân, của một proton hoặc một nơtron riêng lẻ. Người ta đã chứng minh rằng khối lượng m của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng tổng của các nuclon một lượng m =Zmp +(A-Z)mn, m được gọi là độ hụt khối cùa hạt nhân. - Theo định luật bảo toàn khối lượng, đây là vấn đề không thể chấp nhận được. Vậy khối lượng thiếu hụt đó đi đâu? - Thực ra khối lượng đó không mất đi, mà tồn tại ở dạng năng lượng. Công thức nổi tiếng của Albert Einstein (1879 - 1955) E = mc2 cho phép xác định năng lượng này. Trong công thức này, E là năng lượng, m là khối lượng, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không (300.000 km/s). - Trong trường hợp thiếu hụt khối lượng nêu trên, năng lượng tương ứng bằng độ hụt khối nhân với c2. Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết, có giá trị bằng năng lượng cần cung cấp cho hạt nhân để tách nó ra thành các nucleon riêng rẽ. 2lkW mc - Năng lượng liên kết đối với một nucleon (tương ứng với mức thiếu hụt khối lượng đối với nucleon đó) không có cùng giá trị đối với tất cả các hạt nhân. Năng lượng đó nhỏ đối với các hạt nhân nhẹ (ví dụ như: natri, nhôm), tăng dần lên cho đến các hạt nhân trung bình vào khoảng 56 (sắt), sau đó giảm dần. Sự biến đổi đó của năng lượng liên kết chứng tỏ rằng các nguyên tử liên kết chặt chẽ nhất là các nguyên tử trung bình. Mức hụt khối lượng của chúng đối với một nuclon là lớn nhất. Do đó, tất cả những biến đổi có xu hướng tạo ra các hạt nhân trung bình cho phép giải phóng năng lượng hạt nhân. Những sự biến đổi ấy gọi là phản ứng hạt nhân. Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 8 3./ Phản ứng hạt nhân: - Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đấy xảy ra tương tác mạnh của hạt nhân với một hạt nhân khác hoặc với một nuclon ở khoảng cách nhỏ khoảng fm, qua quá trình này hạt nhân nguyên tử thay đổi trạng thái ban đầu (thành phần, năng lượng...) hoặc tạo ra hạt nhân mới hay các hạt mới và giải phóng ra năng lượng. Chính nhờ các phản ứng hạt nhân mà con người ngày càng hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất muôn hình muôn vẻ. Ví dụ: bắn phá hạt nhân nguyên tử liti 6Li bằng hạt hydro 2H được 2 nguyên tử heli 4He và giải phóng 22,4 MeV 6Li + 2H → 2 4He + 22,4 MeV Lượng năng lượng giải phóng được tính theo định luật bảo toàn năng lượng - khối lượng, phương trình: E = m.c2: mLi = 6,015 u, mHe = 4,0026 u và mH = 2,014 u chênh lệch khối lượng Δm = mLi + mH - 2.mHe = 0,0238 u → năng lượng giải phóng = năng lượng chênh lệch ΔE = Δm.c2 = 22,4MeV - Có hai loại phản ứng hạt nhân giải phóng năng lượng: + Tổng hợp những hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân trung bình.Vì sự tổng hợp hạt nhân chỉ có thể xảy ra ở nhiêt độ cao nên phản ứng này gọi là phản ứng nhiệt hạch. Từ 30 năm nay, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu việc tổng hợp hai hạt nhân nhẹ, ví dụ các hạt nhân của đơteri và triti là hai đồng vị nặng của hyđro. Tuy nhiên cho đến nay, vẫn chưa ứng dụng được việc tổng hợp hạt nhân này vào công nghiệp để sản xuất điện năng. 1 3 4 1 1 1 2 0H H He n   Phản ứng này tỏa ra năng lượng khoảng 18 MeV. Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 9 +Phân hạch hay phá vỡ một hạt nhân rất nặng thành hai hạt nhân trung bình. Trên trái đất, phản ứng phân hạch dễ thực hiện hơn phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng này phá vỡ các hạt nhân nặng như urani 235 hoặc plutoni 239. 1 235 94 140 1 0 92 38 54 02n U Sr Xe n    Phản ứng tỏa năng lượng khoảng 185 MeV. Năng lượng phân hạch giải phóng ra được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân. Hiện nay, các lò phản ứng hạt nhân sản xuất 1/6 điện năng tiêu thụ trên thế giới, 1/3 điện năng tiêu thụ ở Châu Âu và 3/4 điện năng tiêu thụ ở Pháp. a./ Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch hay tổng hợp nhiệt hạch là việc kết hợp các hạt nhân nhẹ để tạo nên các hạt nhân trung bình (giữa hêli, nguyên tử lượng là 4 và sắt, nguyên tử lượng là 56). Phản ứng này kéo theo sự giải phóng năng lượng rất lớn. Phản ứng này rất khó thực hiện bởi vì lực hạt nhân, có tác dụng kéo lại gần nhau và liên kết các nucleon chỉ tác động ở khoảng cách rất ngắn, trong khi đó lực điện tạo nên hàng rào đẩy, ngăn không cho các hạt nhân nguyên tử tích điện dương lại gần nhau. Muốn vượt qua được hàng rào này, các hạt nhân phải ở trong trạng thái chuyển động hết sức hỗn loạn. Đó là trường hợp khi chúng bị đưa lên nhiệt độ rất cao  Tổng hợp trong tự nhiên: Trong tự nhiên, tổng hợp hạt nhân tồn tại trong các môi trường có nhiệt độ cực cao ở các ngôi sao, ví dụ như mặt trời. Bên trong mặt trời, nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ cho phép xảy ra sự tổng hợp các hạt nhân nhẹ như hạt nhân Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 10 hyđrô thành hạt nhân hêli. Những phản ứng nhiệt hạch này giải phóng rất nhiều năng lượng, điều này giải thích vì sao nhiệt độ mặt trời rất cao. Một phần nhỏ của năng lượng bức xạ từ mặt trời đi đến trái đất. 1 3 4 11 1 2 0H H He n   Trên những ngôi sao có khối lượng lớn hơn mặt trời, nhiệt độ còn cao hơn nữa cho phép tổng hợp những hạt nhân nặng hơn hyđrô. Những hạt nhân đó tạo nên các hạt nhân của cacbon, oxy và cả của sắt nữa trong lòng các ngôi sao nóng nhất.  Tổng hợp trên trái đất: Con người tìm cách làm chủ các phản ứng tổng hợp trên trái đất nhằm khai thác nguồn năng lượng cực lớn đó. Người ta đã làm chủ được những phản ứng này trong bom H (bom hyđrô), nhưng chưa thể chế ngự chúng để sản xuất điện năng. Phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất cho mục đích dân sự là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân đồng vị của hyđro là đơteri và triti kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn là hạt nhân của nguyên tử hêli. Để đạt tới nhiệt độ rất cao và mật độ hạt nhân đủ lớn để nâng xác suất chúng gặp nhau, cần phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức tạp.  Hai hướng nghiên cứu được tiến hành trong phòng thí nghiệm - Với nồng độ nhỏ, hỗn hợp đồng vị khí hyđro (đơteri và triti) có thể chứa được bên trong những vách ngăn vô hình tạo nên bởi từ trường. Các hạt nhân được đưa lên nhiệt độ trên 100 triệu độ trong thiết bị tổng hợp kiểu Tokamak. Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 11 - Với nồng độ lớn, hỗn hợp đồng vị hyđro được chứa trong một viên bi rất nhỏ được chiếu bởi những chùm tia laser rất mạnh (xem Thông tin Khoa học công nghệ Điện, số 3/2006). b./ Phân hạch và phản ứng dây chuyền Phân hạch xảy ra khi một hạt nhân nặng (ví dụ hạt nhân nguyên tử 235U ) bị va đập bởi một nơtron thì tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn. Phản ứng phân hạch hạt nhân – còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử - là một quá trình vật lý hạt nhân và hoá học hạt nhân mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác. Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản. Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt nơtron, photon tồn tại dưới dạng các tia gama, tia beta và tia alpha. Sự phân hạch của các nguyên tố nặng( ví dụ 235U ) là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng kể dưới dạng tia gama và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch) đồng thời có hai hoặc ba nơtron được tạo ra. Các nơtron này đến lượt chúng lại gây ra sự phân hạch của các hạt nhân khác và quá trình đó cứ thế tiếp diễn. Như vậy là xuất phát từ một sự phân hạch trong khối urani, nếu ta không khống chế các nơtron, thì có thể sinh ra ít nhất là hai sự phân hạch, rồi 4, 8, 16, 32 . Những phân hạch thành chuỗi như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền. Hình A.1 Sự phân hạch của 235U Đề tài nghiên cứu khoa học: Năng lượng hạt nhân - Bạn hay thù Trang 12 1 235 94 140 1 0 92 38 54 02n U Sr Xe n    v Hai ứng dụng chủ yếu của phản ứng dây chuyền là lò phản ứng hạt nhân và bom hạt nhân. Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được giữ ổn định ở mức đã định, có nghĩa là một phần lớn nơtron bị bắt giữ lại, để không sinh ra phân hạch. Mỗi lần phân hạch chỉ cần một nơtron gây ra một phân hạch mới để giải phóng năng lượng liên tục.Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng hạt nhân là 235U hay 239Pu .Còn đối với bom hạt nhân, phản ứng dây chuyền phả