Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về Năng lượng nguyên tử Các ứng dụng của công nghệ hạt nhân Sự phát triển của điện hạt nhân trên thế giới và ở nước ta

. . . ---------- Báo cáo Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về Năng lượng nguyên tử Các ứng dụng của công nghệ hạt nhân Sự phát triển của điện hạt nhân trên thế giới và ở nước ta Kính gửi : Dr. Hoàng Anh Tuấn : Ms. Nguyễn Thị Yên Ninh : Mr. Nguyễn Việt Phương Hà nội, 8 - 2011 Bùi Từ Thi Hoàng Trang 1 MỤC LỤC Mục lục ......................................................................................................... 1 Danh mục hình ảnh ..................................................................................... 2 Phần 1: Giới thiệu ........................................................................................ 3 1.1. Năng lượng Nguyên tử ...................................................................................... 10 1.1.1. Định nghĩa .................................................................................................. 10 1.1.2. Lý thuyết về năng lượng nguyên tử............................................................. 11 1.2. Các ứng dụng của công nghệ hạt nhân ................................................................. 6 1.2.1. Trong lĩnh vực y tế ....................................................................................... 6 1.2.2. Trong lĩnh vực nông nghiệp, sinh học .......................................................... 7 1.2.3. Trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghiệp ........................................ 7 1.2.4. Trong lĩnh vực nghiên cứu các quá trình tự nhiên và bảo vệ môi trường ...... 8 1.2.5. Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng ............................................................. 8 Phần 2: Vấn đề phát triển năng lượng hạt nhân ..................................... 10 2.1 Điện hạt nhân...................................................................................................... 10 2.1.1. Các nguồn cung cấp điện năng của thế giới ................................................ 10 2.1.2. Ưu điểm...................................................................................................... 11 2.1.3. Nhược điểm ................................................................................................ 12 2.2 Sự phát triển điện hạt nhân trên thế giới .............................................................. 12 2.3 Phát triển điện hạt nhân ở Việt nam .................................................................... 14 2.3.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 14 2.3.2. Thực hiện ................................................................................................... 15 Phần 3 : Kết luận ....................................................................................... 17 Phần 4 : Cục năng lượng nguyên tử Việt nam ......................................... 18 4.1. Tìm hiểu về Cục năng lượng nguyên tử Việt nam .............................................. 18 4.2. Giới thiệu về bản thân ........................................................................................ 18 Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 20 Bùi Từ Thi Hoàng Trang 2 Danh mục hình ảnh 1.1. Mô hình cấu trúc của nguyên tử .................................................. 4 1.2. Phản ứng phân hạch hạt nhân U235 ............................................ 5 1.3. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Heli ................................................ 5 2.1. Tỷ lệ sản xuất điện trên thế giới................................................. 10 2.2. Sự phân bố Uranium ................................................................... 11 2.3. Vị trí các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới ........................... 13 2.4. Quy hoạch phát triển điện Việt nam đến năm 2025 ................... 14 Bùi Từ Thi Hoàng Trang 3 Phần 1 : Giới thiệu 1.1. Năng lượng Nguyên tử 1.1.1. Định nghĩa “Năng lượng nguyên tử là năng lượng được giải phóng trong quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử bao gồm năng lượng phân hạch, năng lượng nhiệt hạch, năng lượng do phân rã chất phóng xạ; là năng lượng sóng điện từ có khả năng ion hoá vật chất và năng lượng các hạt được gia tốc.” (Trích: Luật năng lượng nguyên tử) Ta chủ yếu đề cập đến vấn đề : năng lượng sinh ra khi có sự phân hạch (chia tách) của hạt nhân nguyên tử. 1.1.2. Lý thuyết về năng lượng nguyên tử a) Cấu tạo của nguyên tử Ngay từ thời cổ đại (khoảng năm 450 TCN), loài người mà đại diện là các nhà khoa học hy lạp cổ đại đã có những ý tưởng việc tất cả các loại vật chất (rắn, lỏng hay khí) đều được cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ bé và không thể được chia tách nhỏ hơn nữa gọi là “Nguyên tử”. Tuy rằng khái niệm nguyên tử đã tồn tại từ hàng nghìn năm qua nhưng chỉ trong hai thế kỷ gần đây, con người mới bắt đầu hiểu được những điều căn bản về Nguyên tử và nguồn sức mạnh vô cùng to lớn chứa trong vật thể có khối lượng vô cùng nhỏ bé đó. Khoa học ngày nay đã chứng minh được nguyên tử thực chất là một hạt có cấu trúc và bản thân nó được tạo nên bởi các hạt còn nhỏ bé hơn nữa: Cấu trúc của nó bao gồm một hạt nhân nguyên tử mang điện tich dương (+) và các điện tử (Electron) mang điện tích âm (-) quay xung quanh hạt nhân đó. Hạt nhân nguyên tử lại được cấu tạo bởi dày đặc các hạt Proton và Neutral. Về bản chất hai loại hạt này bằng nhau về khối lượng và kích thước nhưng hạt Proton mang điện tích dương (+) còn hạt Neutral không mang điện. Bình thường, các nguyên tử luôn trung hòa về điện do số lượng các hạt mang điện tích âm (Electron) luôn cân bằng với số lượng các hạt mang điện tích dương (Proton). Bùi Từ Thi Hoàng Trang 4 Hình 1.1 – Mô hình cấu trúc của nguyên tử. Về cơ bản, các nguyên tố khác nhau thì nguyên tử của chúng cũng khác nhau về cấu trúc cũng như số lượng của các loại hạt cấu tạo nên nguyên tử của nguyên tố đó. Các nguyên tố được xác định theo số Proton có trong hạt nhân (số nguyên tử) và số khối của nguyên tử đó (tính bằng khối lượng của hạt nhân nguyên tử bởi vì các Electron có khối lượng không đáng kể). b) Phản ứng phân hạch và phản ứng hợp hạch Trong hạt nhân nguyên tử, các Proton và Neutral, khi ở khoảng cách rất nhỏ, giữa chúng sẽ có một lực hút rất mạnh gọi là năng lượng liên kết. Nhờ năng lượng liên kết này mà Proton và Neutral kết hợp với nhau và giữ hình thái ổn định của chúng. Về lý thuyết: nếu chúng ta phá vỡ liên kết trong hạt nhân của nguyên tử sẽ tạo ra các phần nhỏ hơn và đồng thời giải phóng năng lượng liên kết giữa chúng dưới dạng nhiệt năng. Tuy nhiên, chỉ một vài nguyên tố có cấu trúc hạt nhân chưa thực sự bền vững (thường là các nguyên tố có tính phóng xạ) mới có thể thực hiện được việc chia tách này để tạo thành các nguyên tố có cấu trúc bền vững hơn và gọi đó là phản ứng phân hạch hạt nhân. Ví dụ: một hạt nhân nguyên tử nặng như Uranium235 (có năng lượng liên kết lớn) khi hấp thụ Neutral sẽ bị phân hạch và trở thành các hạt nhân nhẹ hơn (có năng lượng liên kết tương đối nhỏ) đồng thời phát ra các Neutral mới và giải phóng năng lượng rất lớn dưới dạng nhiệt cỡ 200Mev. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 5 Hình 1.2 – Phản ứng phân hạch hạt nhân U235. Ngược lại: Nếu tạo được liên kết giữa các hạt nhân nguyên tử nhẹ để tạo thành hạt nhân của nguyên tử mới nặng hơn (nhưng lại có năng lượng liên kết nhỏ hơn tổng năng lượng liên kết của các hạt nhân tạo thành) thì phần năng lượng dư thừa cũng sẽ được giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng. Mặt khác, nếu phản ứng tổng hợp hạt nhân này tạo ra một hạt nhân mới có năng lượng liên kết lớn hơn tổng năng lượng liên kết của các hạt nhân tạo thành thì phản ứng tổng hợp hạt nhân này lại là phản ứng thu năng lượng (nhiệt năng). Khoa học đã chứng minh: sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thụ năng lượng. Ví dụ: phản ứng hợp hạch mà con người đã thực hiện được là kết hợp giữa hai nguyên tử Hydro trở thành hạt nhân nguyên tử Heli ổn định nhưng lại có năng lượng liên kết hạt nhân tương đối nhỏ. Hình 1.3 – Phản ứng tổng hợp hạt nhân Heli. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 6 Như vậy: khi hạt nhân của nguyên tử bị phân chia hoặc tổng hợp (các hạt nhân nhẹ) thì một phần năng lượng liên kết của nó sẽ được giải phóng dưới dạng nhiệt năng rất lớn gọi là năng lượng nguyên tử (năng lượng hạt nhân). c) Bản chất của năng lượng nguyên tử Năng lượng nguyên tử là năng lượng được sinh ra khi có sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử (có sự thay đổi về tổng khối lượng của tất cả các “hạt” trước và sau phản ứng). Năng lượng này được biểu diễn về mặt độ lớn giá trị theo phương trình của Einstein: ܧ = ∆݉ܥଶ  E là năng lượng trong quá trình biến đổi  ∆m : độ chênh lệch khối lượng trước và sau phản ứng (∆m=∑mt-∑ms)  C là vận tốc ánh sáng trong chân không có giá trị xấp xỉ 3x10଼ m/s Theo như phương trình trên, khi có sự biến đổi hạt nhân nguyên tử thành các hạt mới thì kèm theo sự biến đổi đó sẽ sinh ra năng lượng (nếu ∆m > 0) hoặc thu năng lượng vào (nếu ∆m < 0). Do phản ứng phân hạch hạt nhân có tổng khối lượng các “hạt” trước phản ứng lớn hơn nhiều so với khối lượng các “hạt” sau phản ứng nên theo hệ thức trên nó sinh ra một năng lượng khổng lồ. d) Phân loại : Theo định nghĩa: “Năng lượng nguyên tử là năng lượng được giải phóng trong quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử” sinh ra dưới các dạng:  Năng lượng nhiệt: Phần lớn năng lượng nguyên tử được sinh ra dưới dạng nhiệt năng, phát trực tiếp ra môi trường xung quanh.  Động năng cho các “hạt” mới sinh: Một phần năng lượng sẽ cung cấp động năng cho các hạt mới sinh ra, và làm cho các hạt có khối lượng nhỏ (các hạt mang điện dương như hạt α ,Ion dương, các hạt mang điện âm như Electron và các hạt không mang điện như Neutral, tia γ) có vận tốc ban đầu rất lớn. Đây cũng chính là nguồn gốc sinh ra các tia phóng xạ trong phản ứng hạt nhân. 1.2. Ứng dụng của công nghệ hạt nhân Công nghệ hạt nhân và đồng vị phóng xạ được ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội. Trong một số lĩnh vực nó còn có vai trò chủ đạo và không thể thay thế: 1.1.1. Trong lĩnh vực y tế Bùi Từ Thi Hoàng Trang 7 Công nghệ hạt nhân giúp tạo ra các đồng vị phóng xạ đặc biệt quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế : Các loại đồng vị chính được sản xuất tại Đà Lạt là tấm áp P-32 để điều trị các bệnh ngoài da; dung dịch I-131 dưới dạng tiêm hoặc uống để chẩn đoán và điều trị bệnh bướu cổ; Tc-99m để hiện hình tìm các khối u bất thường trong não và tuyến nước bọt. Hàng năm, khoảng 150 Ci chất phóng xạ các loại được sản xuất tại Lò phản ứng hạt nhân Đà lạt, đáp ứng khoảng 60% nhu cầu của Ngành Y tế. Ngoài ra, ứng dụng các tia xạ trong lĩnh vực chiếu, chụp, chẩn đoán hình ảnh để phục vụ việc chẩn đoán chức năng và bệnh lý các cơ quan nội tạng của cơ thể như thận, gan, phổi, hệ tiêu hóa. Hơn thế nữa, phương pháp điều trị ung thư bằng xạ trị (chiếu các tia phóng xạ tiêu diệt các tế bào ung thư) cho đến nay vẫn là phương pháp chưa thể thay thế trong việc điều trị căn bệnh nguy hiểm này. 1.1.2. Trong lĩnh vực nông nghiệp, sinh học Công nghệ hạt nhân cũng có tác dụng vô cùng to lớn, đặc biệt là ứng dụng tia γ gây đột biến gene để tạo ra các giống cây trồng (ngô, khoai, lúa, một số loại hoa, dâu tằm) để tạo ra các giống mới có năng suất cao, chống chịu sâu bệnh tốt và phù hợp với thổ nhưỡng nhiều vùng khác nhau. Hoặc tác động gây đột biến gene chính các loại sâu hại cho cây trồng (làm chết hoặc mất khả năng sinh sản của chúng). Tạo ra các chế phẩm kích thích tăng trưởng thực vật để cho cây trồng phát triển tốt đã được chế tạo và đang triển khai thử nghiệm diện rộng trên phạm vi cả nước với diện tích hàng trăm hecta các loại cây rau quả, lương thực và cho năng suất tăng từ 15 - 30% so với đối chứng đồng thời giảm được lượng phân bón cho cây trồng (do nước ta hiện vẫn phải nhập khẩu chủ yếu phân bón cho nông nghiệp từ Trung quốc). Lĩnh vực khoa học về công nghệ bức xạ nhằm các mục đích khử trùng, biến tính vật liệu, bảo quản thực phẩm và nông sản, cải tạo sinh khối, chế tạo một số chế phẩm bằng bức xạ như chất mang vacxin, màng chữa bỏng, chất kích thích tăng trưởng thực vật, chế phẩm phòng chống nấm thực vật, v.v... giúp cho hàng hóa nông sản có thể được bảo quản tốt hơn. Nâng cao vị thế và giá trị sản phẩm của một nước xuất khẩu nông sản hàng đầu thế giới. 1.1.3. Trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghiệp Ứng dụng rộng rãi nhất của công nghệ hạt nhân phải nói đến trong các ngành xây dựng, kiểm tra, đo lường (dùng kiểm tra, kiểm nghiệm, giám sát và Bùi Từ Thi Hoàng Trang 8 đánh giá chất lượng các công trình, sản phẩm mà không cần tác động vào vật cần kiểm tra), hay thăm dò, tìm kiếm và khai thác khoáng sản với chi phí thấp và độ chính xác rất cao. Chỉ với việc ứng dụng kỹ thuật chụp X-quang thông thường đã có thể kiểm tra hàng hoá, bảo đảm an ninh tại các cửa khẩu, sân bay. Hiện nay, việc sử dụng kỹ thuật này đã trở thành yêu cầu bắt buộc trong kiểm tra chất lượng một số loại công trình xây dựng và giao thông. Mặt khác, sự phát triển của công nghệ hạt nhân sẽ kéo theo nó là sự phát triển của nhiều lĩnh vực ngành nghề như : thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử, hạt nhân phục vụ cho chính sự phát triển của ngành. Phát triển các kỹ thuật phân tích hạt nhân, an toàn – an ninh trong lĩnh vực hạt nhân cũng vì thế mà phát triển theo. Trong lĩnh vực giao thông vận tải, nếu áp dụng công nghệ hạt nhân có thể giúp các phương tiện gần như hoạt động suốt đời mà không phải một lần nạp thêm nhiên liệu: hiện nay đã trở thành phương pháp tân tiến nhất được ứng dụng trong vận tải tàu biển và tàu quân sự có trọng tải lớn. 1.1.4. Trong lĩnh vực nghiên cứu các quá trình tự nhiên và bảo vệ môi trường Sử dụng đồng vị phóng xạ môi trường kết hợp với kỹ thuật đánh dấu phóng xạ để nghiên cứu diễn biến nhiều quá trình như sa bồi, bào mòn, trầm tích, rò rỉ, v.v... Kết hợp với các thông tin về thủy văn và địa chất, các kết quả nghiên cứu của ngành hạt nhân cung cấp cho các nhà quản lý ngành nông nghiệp, thủy lợi các số liệu điều tra quan trọng và mang ý nghĩa thực tế cao. Nghiên cứu phóng xạ môi trường và ô nhiễm môi trường sử dụng các kỹ thuật phân tích hạt nhân và liên quan cho phép theo dõi biến động của mức phóng xạ và tình hình ô nhiễm môi trường không khí đã được tiến hành trong nhiều năm qua ở một số khu công nghiệp và thành phố lớn như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh Ứng dụng các kỹ thuật hạt nhân để nghiên cứu ô nhiễm môi trường biển cũng đang được tiến hành. Ngoài ra, các nghiên cứu khảo sát nồng độ các nhân phóng xạ nhân tạo sinh ra do các vụ thử vũ khí và sự cố hạt nhân trên thế giới ảnh hưởng đến Việt nam cũng được thực hiện, đặc biệt đã có khả năng tự theo dõi về môi trường quốc gia khi xảy ra sự cố hạt nhân từ Nhật bản. 1.1.5. Trong lĩnh vực cung cấp năng lượng Bùi Từ Thi Hoàng Trang 9 Nói đến năng lượng nguyên tử, chúng ta không thể không nhắc đến điện hạt nhân. Có thể nói, đây là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất và được ứng dụng nhiều nhất của năng lượng nguyên tử. Theo tính toán, sau 15 năm nữa, riêng nhu cầu về điện sẽ tăng gấp 10 lần hiện nay, nhu cầu về năng lượng sẽ tăng gấp 3 lần. Trước tình thế đó, sử dụng điện hạt nhân sẽ là giải pháp tối ưu trong tương lai gần. Trong xu thế cả thế giới đang phải đối phó với hiểm họa biển đổi khí hậu toàn cầu, và nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày một dần cạn kiệt thì giải pháp điện hạt nhân là sự lựa chọn thích hợp, góp phần tích cực thay thế các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch, nhằm hạn chế việc phát sinh khí thải ô nhiễm vào môi trường gây hiệu ứng nhà kính. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 10 Phần 2: Vấn đề phát triển năng lượng hạt nhân 2.1. Điện hạt nhân 2.1.1. Các nguồn cung cấp điện năng của thế giới Hình 2.1 – Tỷ lệ sản xuất điện trên thế giới. Về vấn đề cung cấp năng lượng điện của thế giới hiện nay, chia làm 6 loại chính: 1. Các nhà máy nhiệt điện dùng nguyên liệu than đá (39%) 2. Các nhà máy nhiệt điện dùng nguyên liệu khí gas tự nhiên (17%) 3. Các nhà máy nhiệt điện dùng nguyên liệu dầu (8%) 4. Thủy điện (17%) 5. Điện hạt nhân (17%) 6. Các nguồn năng lượng điện khác : chủ yếu là năng lượng điện tái sinh, năng lượng điện mặt trời, sức gió (2%) Nhận xét: Hiện nay, điện hạt nhân mới chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốn trong tỷ phần năng lượng điện của toàn thế giới và điều này sẽ chưa thể sớm thay đổi trong tương lai gần. Tuy nhiên, về lâu dài khi mà các nguồn năng lượng truyền thống cạn kiệt nhưng nhu cầu về năng lượng lại tăng lên gấp nhiều lần thì việc sử dụng năng lượng điện hạt nhân có lẽ là giải pháp khả thi nhất. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 11 2.1.2. Ưu điểm của điện hạt nhân Ưu điểm to lớn nhất khi so sánh điện hạt nhân với các loại năng lượng điện khác chính là sự thân thiện với môi trường sống, do việc sử dụng nhiệt năng từ các phản ứng phân hạch của hạt nhân nguyên tử, phát thải rất ít khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính giống như các nhà máy nhiệt điện dùng nguyên liệu hóa thạch đang từng ngày thải vào môi trường hàng triệu tấn khói bụi độc hại, hay như việc xây dựng các thủy điện có thể làm phá vỡ cân bằng hệ sinh thái của cả một vùng rộng lớn. Nhiên liệu chính dùng cho sản xuất điện hạt phân bố đồng đều trên thế giới ở các khu vực có sự ổn định về mặt chính trị nên thuận tiện cho việc khai thác và ít có biến động lớn về giá thành. Hình 2.2 – Sự phân bố Uranium. Do các nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu cực kỳ nhỏ gọn nên diện tích cần thiết để xây dựng một nhà máy điện hạt nhân tiêu chuẩn đòi hỏi không lớn (giảm thiểu diện tích của các bãi chứa nhiên liệu khổng lồ như các nhà máy nhiệt điện), hơn nữa nhiên liệu cho nhà máy có thể dễ dàng vận chuyển nên vị trí quy hoạch của nhà máy hoàn toàn có thể đặt ở những nơi an toàn, xa khu dân cư. Nhà máy điện hạt nhân được xây dựng với các tiêu chuẩn về kỹ thuật cao nhất. Công nghệ điện hạt nhân cũng là công nghệ được nhiều nước phát triển áp dụng từ lâu và hiện nay đã có nhiều cải tiến kỹ thuật. Về mặt lý thuyết, đây là giải pháp có tính an toàn cao, khả năng tạo ra sản lượng điện lớn (cỡ hàng nghìn MW) với chỉ một nhà máy có diện tích nhỏ. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 12 Tuổi thọ hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân là rất lâu dài (khoảng 50-60 năm), đảm bảo việc cung cấp năng lượng ổn định trong thời gian dài và chi phí vận hành, bảo dưỡng lại rẻ. Có thể cho hiệu quả kinh tế cao, hơn nữa chi phí cho việc hậu xử lý sau khi tháo dỡ nhà máy đều đã được tính trong chi phí đầu tư xây dựng ban đầu. 2.1.3. Nhược điểm của điện hạt nhân Nói đến điện hạt nhân là nói tới chi phí đầu tư để xây dựng ban đầu rất lớn đồng thời đòi hỏi phải có một đội ngũ chuyên viên, kỹ thuật viên có trình độ cao để vận hành, quản lý hoặc xử lý khi phát sinh sự cố. Nguyên liệu chủ yếu cho các nhà máy điện hạt nhân hoạt động theo các công nghệ hiện nay là Uranium. Đây là một nguồn tài nguyên có trữ lượng thấp trên trái đất (cỡ 4 triệu tấn) nên nếu phát triển các nhà máy điện hạt nhân một cách ồ ạt và không có tính toán chi tiết thì trong tương lai sẽ thiếu nhiên liệu để phục vụ các nhà máy này hoạt động. Thời gian để xây dựng một nhà máy điện hạt nhân là không nhỏ, từ khi lên kế hoạch, ra quyết định, thuyết phục người dân chấp nhận đến khi xây dựng xong có khi phải kéo dài hàng chục năm. Tuy được thiết kế và xây dựng với các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật cao nhất nhưng một khi xảy ra sự cố thì sẽ trở thành thảm họa nghiêm trọng có ảnh hưởng rộng lớn hơn bất kỳ sự cố của các loại hình nhà máy điện nào khác. Công nghệ sản xuất điện hạt nhân hiện nay gần như là công nghệ độc quyền của các nước phát triển cộng với những lo ngại về việc phổ biến vũ