Chương 2 - Năng lượng nguyên tử pps

1
NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ:
Chương 2 - Năng lượng nguyên tử
TS. Huỳnh Châu Duy
Bộ môn Hệ Thống Điện
Trường ĐH Bách Khoa TP. HCM
01/2011
2
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
1. Vậtchấtlàgì?
Vậtchất tồntạidưới nhiềudạng khác nhau như
thể rắn, thể lỏng hay thể khí và gồmrất nhiều
thành phần.
Thành phầnnhỏ bé nhấtcủamộtchấtlàphân tử.
Phân tử là mộtdạng liên kết hoá họccủa nguyên
tử.
2
3
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Chẳng hạn, phân tử củanước(H
2
O) là hợpchất
hoá họcgiữa 2 nguyên tử hydro và 1 nguyên tử
oxy, phân tử Cacbonic (CO
2
) là hợpchất hoá học
giữa 1 nguyên tử cacbon và 2 nguyên tử oxy.
Vậy thì nguyên tử có cấutạonhư thế nào?
4

Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Nguyên tử gồmhạt nhân nguyên tử và các điện
tử (electron) quay xung quanh nó.
Bởivìhạt nhân nguyên tử rấtnhỏ và các điệntử
quanh xung quanh nó ở vị trí khá xa nên có thể
nói rằng nguyên tử có cấutạochỉ toàn là khoảng
trống.
3
5
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Vậythìhạt nhân nguyên tử có cấutạorasao?
Thựcnghiệmchứng minh rằng hạt nhân tạo nên
bởi dày đặccáchạt proton và nơtron.
6
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Proton và nơtron như 2 anh em sinh đôi, trọng
lượng giống nhau nhưng chỉ khác ở chỗ proton là
hạttíchđiệndương còn nơtron là hạt không
tích điện, chúng có tên gọi chung là nucleon.
Như vậy, về cơ bảnvậtchất đượccấu thành từ
proton, nơtron và electron và với các cách kếthợp
rất đadạng.
4
7
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
2. Nguyên tử, hạtnhânvàđiệntử là gì ?

Hiện nay, trên Trái đấttồntại nhiềuloại nguyên tố
trong tự nhiên.
Nguyên tố nhẹ nhấtlàHydro. Hạt nhân nguyên tử
Hydro gồm 1 proton. Thông thường, điện tích
dương củahạtnhânvàđiệntíchâmcủacácđiện
tử bằng nhau, khi đó nguyên tử sẽ trung hoà về
điện.
8
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Nguyên tốđược phân biệt theo số proton nằm
trong hạt nhân, sốđó đượcgọilàsố nguyên tử.
Số nguyên tử của nguyên tử Hydro là 1, số
nguyên tử của Uran là 92.
Ngoài ra, ngườitagọitổng số proton và nơtron
trong hạt nhân nguyên tử là trọng lượng nguyên tử
hay số khối.
5
9
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Đến đây, chúng ta hãy thử cùng xem xét về cấu
tạocủahạt nhân nguyên tử Uranium có số nguyên
tử là 92 và trọng lượng nguyên tử là 238. Bởivìsố
nguyên tử là 92 nên nó có 92 proton. Phầncònlại
là nơtron, tổng số của proton và nơtron là 238 nên
số nơtron sẽ là 238-92=146.
10
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử

Mặc dù cùng là Uranium nhưng trong tự nhiên còn tồn
tạiloại Uranium có số khối là 235 vớisố nơtron ít hơn
3 nơtron so vớiloại Uranium có số khối là 238.
Hai loại Uranium này có tính chấthoáhọc hoàn toàn
giống nhau còn trọng lượng chỉ khác nhau một chút.
Để phân biệt nó, ngườitabiểuthị là U -238, U-235 và
đượcgọilàcácđồng vị (Isotope).
6
11
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Số lượng điệntử quay xung quanh hạt nhân
cũng có khi tăng hoặcgiảm.
Nếusốđiệntử tăng thì nguyên tử mang điện tích
âm và nếugiảm thì mang điện tích dương.
Khi đó, ngườitagọi nguyên tử mang điện tích là
ion.
12
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Sự thay đổivề hoá học thông thường là do sự
tương tác lẫn nhau của điệntử quay xung quanh
hạt nhân và nó không làm thay đổicấu trúc hạt
nhân.
7
13
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
3. Năng lượng nguyên tử là gì?
Năng lượng sinh ra khi đốtdầu, than, khí.

Và năng lượng sinh ra khi chấtnổ phát nổ còn gọi
là năng lượng sinh ra bởiphản ứng hoá học, là
năng lượng sinh ra bởisự chuyển động củacác
điệntử quay xung quanh hạt nhân.
14
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Năng lượng nguyên tử là năng lượng sinh ra khi
có sự phân hạch hạtnhânhoặctổng hợphạt
nhân.
Năng lượng của 1g Uranium phân hạch tương
đương vớinăng lượng thu đượckhiđốt 20.000 lít
dầu.
8
15
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
4. Năng lượng nguyên tử
sinh ra như thế nào ?
Trong hạt nhân nguyên tử, các nucleon (không
phân biệt proton hay nơtron), khi ở khoảng cách
rất bé, sẽ hút nhau rấtmạnh. Nhờ năng lượng liên
kết này mà proton và nơtron kếthợpvới nhau ổn
định trong hạt nhân.
16
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Hạt nhân nguyên tử nặng như Uranium 235 (năng
lượng liên kếtlớn) sẽ phân hạch khi hấpthụ
nơtron và trở thành 2~3 hạt nhân nhẹ hơnvới

năng lượng liên kếttương đốinhỏ.
Hạt nhân nguyên tử nhẹ như Hydro sau khi tổng
hợpsẽ trở thành hạt nhân nguyên tử Heli rất ổn
định. Năng lượng liên kếtcủahạt nhân nguyên tử
Heli cũng tương đốinhỏ.
9
17
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2–Năng lượng nguyên tử
Như vậy, khi hạt nhân nguyên tử phân hạch hoặc
tổng hợp, mộtphầnnăng lượng liên kếtcủahạt
nhân nguyên tử sẽđượcgiải phóng và sinh ra
năng lượng nguyên tử cựclớn.
18
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
5. Phản ứng phân hạch
hạtnhânlàgì?
Uranium trong thiên nhiên cấutạobởi 99.3% U-
238 và 0.7% U-235.
Có một quy luật đốivớinhững nguyên tử phân
hạch thông thường: những nguyên tử mà số khối
là số lẻ sẽ có sự phân hạch tương đốidễ. Như với
Uranium, U-235 phân hạch dễ hơn U -238.
10
19
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Để tạorasự phân hạch của U -235, cầnphảilàm
cho nơtron đivàohạt nhân của nó.

Vì hạt nhân nguyên tử rấtnhỏ nên nơtron có tốc độ
cao mặcdùcóthểđếngầnhạt nhân nhưng nhiều
khi lại bay qua bên cạnh mà không trúng hạt nhân
và cơ hội xâm nhập vào bên trong hạt nhân rấtít.
20
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Nếulàmgiảmtốc độ củanơtron và kéo dài thời
gian tồntạicủanóở bên cạnh hạt nhân thì xác
suấtvachạmvớihạt nhân sẽ trở nên cao hơn.
Ngườitagọinơtron đãbị giảmtốc độ là nơtron
nhiệt (Thermal Neutron).
11
21
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Nơtron nhiệtsẽ gây ra phản ứng phân hạch
(Nuclear Fission) khi va chạmvớimộthạt nhân
nguyên tử U -235, các mảnh vỡđó bay phân tán
vớitốc độ cao.
22
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Khi đó đãgiải phóng ra mộtnăng lượng cựclớn
đồng thờisinhra2~3 nơtron mới. Năng lượng đó
đượcgọilànăng lượng nguyên tử.
Ngườitagọimảnh vỡ phát sinh do phân hạch là
sảnphẩm phân hạch (Fission Product).
12
23

Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Phầnlớnsảnphẩmphânhạch có tính phóng
xạ. Sau đây là mộtsố sảnphẩm phân hạch tiêu
biểu:
Strontium-90 (Sr-90) Chu kỳ bán rã khoảng 30
năm, khi hấpthụ vào cơ thể sẽđọng ở xương và
việcloạibỏ ra ngoài là khá khó khăn.
24
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Iodine-131 (I-131) Chu kỳ bán rã khoảng 8 ngày,
khi hấpthụ vào cơ thể sẽ tập trung ở tuyếngiáp
trạng.
Cesium-137(Cs-137) Chu kỳ bán rã khoảng 30
năm, dù có hấpthụ vào cơ thể cũng sẽ bài tiết
tương đốisớm ra ngoài qua đường tiêu hoá.
13
25
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
6. Phản ứng tổng hợp
hạtnhânlàgì?
Phân tử Hydro cấutạobởimột nguyên tử. Hạt
nhân nguyên tửđơteron - đồng vị của Hydro cấu
tạobởi 1 proton và 1 nơtron.
Trong toàn bộ Hydro tự nhiên có khoảng 1/60.000
đơteron.
26
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy

Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
Nếukếthợp 2 nguyên tửđơteron thì sẽ hình
thành mộthạt nhân gồm 2 proton và 2 nơtron. Đây
là hạt nhân nguyên tử Heli.
Khi tạoraHelibằng cách kếthợp 2 Hydro như vậy
sẽ giải phóng ra năng lượng cựclớn. Hiệntượng
này đượcgọilàsự tổng hợphạt nhân (Nuclear
Fusion).
14
27
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương 2 – Năng lượng nguyên tử
7. Phản ứng phân hạch hạt nhân
dây chuyềnlàgì?
Uranium 235 khi phân hạch sẽ có 2 đến3 nơtron mới được
giải phóng ra, mỗinơtron này sẽ tạorasự phân hạch hạt
nhân tiếp theo.
Và rồilại có thêm 2 đến3 nơtron mới đượcgiải phóng. Sự
phân hạch hạt nhân mộtcáchliêntụcnhư vậy đượcgọilà
phản ứng dây chuyền.
28
Nhà máy điện nguyên tử -TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2–Năng lượng nguyên tử
8. Tớihạnlàgì?
Tớihạnlàtrạng thái phản ứng phân hạch hạt
nhân dây chuyền được duy trì ổn định.
Trong lò phản ứng hạt nhân, ngườitacóthể
khống chếđượctrạng thái tớihạncủalòphản
ứng bằng các thanh điềukhiển.