Thiết kế nhà máy điện nguyên tử

LỜI CẢM ƠN
☼☼☼☼☼
Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trường đại hoc Bách Khoa
thành phố Hồ Chí Minh và Bộ Môn Hệ Thống Điện đã tận tình giảng dây cho
em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình đã động viên và hỗ
trợ em trong khoảng thời gian thực hiện luận văn .
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Phan Tú đã tận tình hướng dẫn và cung cấp
kiến thức cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
1
TÓM TẮT LUẬN VĂN
- PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ
 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI
 CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG
NGUYÊN TỬ
 CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
 CHƯƠNG 4 : CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Ở VIỆT
NAM
- PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
 CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN
 CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC
 CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
 CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MÁY BIẾN ÁP
 CHƯƠNG 6 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN
 CHƯƠNG 7 : SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆNCHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ
THUẬT QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
 CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN
 CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
MỤC LỤC
Đề mục Trang

Nhiệm vụ luận văn......................................................................................................................ii
Lời cảm ơn..................................................................................................................................iii
Tóm tắt luận văn........................................................................................................................iv
2
Mục lục.........................................................................................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1
PHẦN I : TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ.....................................................2
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TRÊN THẾ GIỚI..........2
1. Sự gia tăng dân số và nhu cầu năng lượng................................................................2
2. Nhu cầu sử dụng năng lượng......................................................................................3
II. Những giải pháp được đưa ra ....................................................................................6
1. Các nguồn năng lượng tái tạo ....................................................................................6
2. Năng lượng hạt nhân , một giải pháp tốt ? ...............................................................8
CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN
TỬ...............................................................................................................................................10
I. Lịch sử hình thành hạt nhân nguyên tử...................................................................10
1. Henri Becquerel và những khám phá ban đều về các bức xạ...............................10
2. Phóng xã Polonium và nhà khoa học nữ Marie Curie...........................................10
3. Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thoronium X .................11
4. Lý thuyết nguyên tử Bohr..........................................................................................13
5. Sự phân hạch tâm ......................................................................................................14
II. Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử ...................................................15
1. Cấu tạo hạt nhân nguyê tử .......................................................................................15
2. Lực hạt nhân ..............................................................................................................17
3. Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân ..........................................................17
4. Các loại phản ứng hạt nhân .....................................................................................18
5. Tại sao chọn notron là hạt bắn phá hạt nhân ........................................................19
6. Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng ............................................20
7. Năng lượng chuyển đổi .............................................................................................22
8. Tia phóng xạ....................................................................................................................

25
CHƯƠNG 3 : NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ....................................................................28
I. Tình hình phát triển điện nguyên tử thế giới..........................................................27
II. Tổng quan về nhà máy điện nguyên tử....................................................................32
III. Nguyên liệu hạt nhân..................................................................................................33
1. Quá trình chuẩn bị nhiên liệu...................................................................................34
2. Chu trình nhiên liệu...................................................................................................35
IV. Lò phản ứng................................................................................................................36
1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................36
2. Các thành phần của lò phản ứng .............................................................................38
3. Các thế hệ lò phản ứng...............................................................................................42
CHƯƠNG 4 : CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM
53
I. Mở đầu ........................................................................................................................53
II. Dự báo nhu cầu năng lượng .....................................................................................53
III. Phát triển năng lượng hạt nhân ở Việt Nam ..........................................................54
1. Sự cần thiết phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam..................................................54
2. Phát triển điện hạt nhân là khả thi đối với Việt Nam............................................55
3. Xây dựng chương trình dài hạn và phát triển hạt nhân .......................................56
4.6 Chọn thiết bị bảo vệ MBA..........................................................................................62
PHẦN II : THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ.............................60
CHƯƠNG 1 : XÂY DỰNG ĐỒ THỊ PHỤ TẢI.....................................................................61
I. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 220kV.............................................................................62
3
II. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 110kV..............................................................................63
III. Đồ thị phụ tải cấp điện áp 22kV...............................................................................63
IV. Đồ thị phụ tải phát về hệ thống.................................................................................64
V. Đồ thị phụ tải tự dùng của nhà máy ........................................................................65
VI. Tổng hợp đồ thị phụ tải của nhà máy điện .............................................................66
CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC NHÀ MÁY ĐIỆN...........................................................68

I. Chọn số lượng và công suất tổ máy phát.................................................................68
II. Sơ đồ nối điện chính của nhà máy ..........................................................................68
1. Các yêu cầu đặt ra khi chọn sơ đồ cấu trúc.............................................................69
2. Các phương án nối điện chính .................................................................................70
3. Thiết lập chế độ vận hành các tổ máy......................................................................72
CHƯƠNG 3 : CHỌN MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC...............................................................73
I. Chọn máy biến áp cho phương án 1.........................................................................73
1. Chọn máy biến áp T
1
,T
2
và T
3
...................................................................................73
2. Chọn máy biến áp T
6
..................................................................................................74
3. Chọn máy biến áp T
4
và T
5
........................................................................................74
II. Chọn máy biến áp cho phương án 2.........................................................................79
1. Chọn máy biến áp T
6
..................................................................................................80
2. Chọn máy biến áp T
5
..................................................................................................80
3. Chọn máy biến áp T

1
và T
2
........................................................................................80
4. Chọn máy biến áp T
3
và T
4
........................................................................................81
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH...........................................................................82
I. Các giá trị tính toán ngắn mạch................................................................................82
1. Chọn các đại lượng cơ bản........................................................................................82
2. Tính các giá trị điện kháng trong hệ đơn vị tương đối .........................................82
II. Tính toán ngắn mạch cho phương án 1....................................................................84
1. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
1
............................................................................86
2. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
2
.............................................................................88
3. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
3
.............................................................................89
4. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
4
.............................................................................89
5. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
5
.....................................................................................91
III. Tính toán ngắn mạch cho phương án 2....................................................................92

1. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
1
............................................................................94
2. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
2
.............................................................................95
3. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
3
.............................................................................96
4. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
4
.............................................................................97
5. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
5
.....................................................................................98
6. Tính toán ngắn mạch tại điểm N
6
.....................................................................................99
CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG MÁY BIẾN ÁP.........101
I. Tính toán tổn thất cho phương án 1 ......................................................................101
1. Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T
1
,T
2
,T
3
và T
6
.............................101
2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T

4
và T
5
......................................102
II. Tính toán tổn thất cho phương án 2 ......................................................................104
1. Tổn thất điện năng trong máy biến áp cách ly T
1
,T
2
,T
5
và T
6
.............................104
2. Tổn thất điện năng trong máy biến áp từ ngẫu T
4
và T
3
......................................105
CHƯƠNG 6 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN...................................................................................107
I. Chọn khí cụ điện chính cho phương án 1 .............................................................108
1. Cấp điện áp 220kV...................................................................................................108
2. Cấp điện áp 110kV....................................................................................................110
4
3. Cấp điện áp 22kV......................................................................................................112
4. Chọn khí cụ điện đầu cực máy phát ......................................................................113
II. Chọn khí cụ điện chính cho phương án 2 .............................................................114
1. Cấp điện áp 220kV....................................................................................................114
2. Cấp điện áp 110kV....................................................................................................117
3. Cấp điện áp 22kV......................................................................................................119

4. Chọn khí cụ điện đầu cực máy phát ......................................................................120
CHƯƠNG 7 : SƠ ĐỒ NỐI ĐIỆN..........................................................................................121
CHƯƠNG 8 : TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT
KẾ 123
I. Tính toán kinh tế-kỹ thuật giữa các phương án ..................................................122
II. Tổng kết các thiết bị chính 2 phương án ...............................................................122
III. Tính toán kinh tế cho phương án 1.........................................................................123
III. Tính toán kinh tế cho phương án 2.........................................................................124
V. So sánh hai phương án về mặt kinh tế...................................................................125
CHƯƠNG 9 : CHỌN KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN.................................126
I. Chọn thanh dẫn cho đầu cực máy phát ................................................................126
1. Chọn tiết diện thanh dẫn theo dòng điện cho phép..............................................126
2. Kiểm tra điều kiện ổn định khi ngắn mạch...........................................................127
3. Kiểm tra ổn định lực động điện khi ngắn mạch...................................................127
4. Chọn sứ đỡ cho thanh dẫn ......................................................................................129
II. Chọn dây dẫn ...........................................................................................................130
1. Chọn dây dẫn cấp điện áp 220kV...........................................................................130
2. Chọn dây dẫn cấp điện áp 110kV...........................................................................133
3. Chọn dây dẫn cấp điện áp 22kV.............................................................................136
III. Chọn máy biến điện áp BU......................................................................................138
1. Chọn máy biến điện áp cấp 10.5kV........................................................................138
2. Chọn máy biến điện áp cấp 22kV...........................................................................140
3. Chọn máy biến điện áp cấp 110kV.........................................................................141
4. Chọn máy biến điện áp cấp 220kV.........................................................................143
IV. Chọn máy biến dòng BI...........................................................................................144
1. Chọn máy biến dòng cấp 10.5kV............................................................................144
2. Chọn máy biến dòng cấp 22kV...............................................................................145
3. Chọn máy biến dòng cấp 110kV..............................................................................147
4. Chọn máy biến dòng cấp 220kV.............................................................................148
CHƯƠNG 10 : TỰ DÙNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN......................................................150

I. Chọn sơ đồ tự dùng cho nhà máy ..........................................................................150
II. Chọn máy biến áp tự dùng .....................................................................................150
1. Máy biến áp tự dùng chính (10.5/6kV)...................................................................151
2. Máy biến áp tự dùng cấp 2 (6/0.4kV).....................................................................151
3. Máy biến áp dự phòng cấp 6kV..............................................................................152
4. Máy biến áp dự phòng cấp 0.4kV...........................................................................154
III. Chọn khí cụ điện cho mạch tự dùng.......................................................................154
1. Chọn máy cắt hợp bộ cấp 6kV................................................................................154
2. Chọn Aptomat cho cấp điện áp 0.4kV....................................................................158
3. Chọn cáp đến cuộn cao máy biến áp dự phòng cấp 1..........................................160
4. Chọn cáp cho cấp điện áp 6Kv................................................................................161
5. Chọn dây dẫn cho cấp điện áp 0.4kV.....................................................................161
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.................................................................................162
5
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................163
6
LỜI MỞ ĐẦU
TPHCM, ngày… tháng… năm 2010
Thực tế cho thấy ngành điện đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nền sản
xuất đại công nghiệp tiên tiến. Ngành điện có mặt trong tất cả các lĩnh vực, từ sinh hoạt
đời sống cho tới sản xuất hàng hoá . Vì thế, muốn phát triển nền kinh tế đất nước trước
tiên phải ưu tiên đầu tư và phát triển hệ thống điện quốc gia – đó là điều kiện tiên quyết
cho việc phát triển đất nước.
Những năm gần đây nền công nghiệp nước ta phát triển một cách ồ ạt, đất nước
mở cửa hội nhập với thế giới làm thu hút đầu tư bên ngoài ngày càng nhiều, nhiều nhà
máy xí nghiệp được xây dựng và đi vào hoạt động, những nhà máy này cần cung cấp
một lượng điện năng lớn, vì vậy yêu cầu đặt ra phải sản xuất thật nhiều điện năng để
đáp ứng nhu cầu xã hội.
Hiện tại nước ta chỉ có 2 loại nhà máy điện là nhiệt điện và thuỷ điện. Nhưng nhu
cầu sử dụng điện ngày càng tăng nhanh dẫn đến tình trạng thiếu điện trầm trọng vào

mùa khô. Trước tình hình đó, Bộ Công Thương đã chỉ đạo tập đoàn Điện Lực Việt Nam
(EVN) làm báo cáo đầu tư để xây dựng 2 nhà máy điện nguyên tử với tổng công suất
4000MW tại Ninh Thuận. Vì lý do đó, em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế nhà máy
điện nguyên tử” nhằm mục đích tìm hiểu rõ hơn về nhà máy điện nguyên tử.
Việc thiết kế một nhà máy điện là một việc hết sức phức tạp. Hơn nữa đây lại là
một lĩnh vực mới tại Việt Nam nên em chỉ có thể tìm hiểu tổng quan về nhà máy điện
nguyên tử và thiết kế cho phần điện trong nhà máy. Do kiến thức có hạn nên không thể
tránh khỏi sai sót, rất mong sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô
Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM
Sinh viên

Đặng Minh Khánh
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
PHẦN I :
TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ
CHƯƠNG 1 :
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG
TRÊN THẾ GIỚI
I. Sự gia tăng dân số và nhu cầu sử dụng năng lượng
1. Sự gia tăng dân số
Theo báo cáo của Liên Hợp Quốc vào năm 2009, dân số trên trái đất
khoảng 6,777 tỉ người ( theo Wikipedia). Dân số thế giới hiện tăng xấp xỉ 74
triệu người mỗi năm. Nếu tỷ suất sinh hiện nay tiếp diễn, năm 2050 tổng dân
số thế giới sẽ là 11 tỷ người, với 169 triệu người tăng thêm mỗi năm. Tuy
nhiên, tỷ suất sinh đã giảm trong nhiều thập kỷ, và các con số cập nhật của
Liên hiệp quốc dự đoán dân số thế giới sẽ đạt 9.2 tỷ người khoảng năm 2050.
Đây là con số trung bình với giả thiết mức giảm tỷ suất sinh từ 2.5 xuống còn
2.
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Hình 1.1:Biểu đồ về tốc độ tăng trưởng dân số thế giới

Dân số và kinh tế thế giới và kinh tế thế giới ngày càng phát triển , đồng
nghĩa với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng . Trong khi đó những
nguồn năng lượng hoá thạch( dầu mỏ , khí tự nhiên , than đá …) mà con
người sử dụng đang ngày càng cạn kiệt và gây ra những hậu quả không nhỏ
đối với môi trường .
2. Nhu cầu sử dụng năng lượng
Theo “triển vọng năng lượng quốc tế 2002” (IEO2002) tiêu thụ năng
lượng thế giới dự báo trong khoảng thời gian 21 năm kể từ năm 1999 đến
2020 sẽ tăng 60%. Ngoài ra các chuyên gia cũng dự báo rằng tình hình năng
lượng có thể tăng gấp 4 lần ở khu vực châu Á và Trung Nam Mỹ.
• Tiêu thụ dầu:
Giá dầu tăng ảnh hưởng lớn đến vật giá trong đời sống của mỗi con người
chúng ta. Điều này chứng tỏ dầu vẫn đang là nguồn năng lượng sơ cấp cần
thiết của chủ yếu của thế giới và dự báo nó sẽ còn giữ vị trí này trong suốt
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
khoảng thời gian 1999-2020. Theo ước lượng, thế giới tăng khoảng 2.2% từ
75 triệu thùng/ngày (năm 1999) lên 199 triệu thùng/ngày (năm2020). Mặc dù
các nước công nghiệp hóa vẫn là những nước tiêu thụ dầu hơn so với các
nước đang phát triển nhưng theo tốc độ phát triển hiện tại thì khoảng cách
này đang thu hẹp khá nhanh. Năm 1999 các nước đang phát triển tiêu thụ
58% nhưng đến năm 2020 dự báo tới 90%.
Người ta cho rằng các mỏ dầu còn có thể khai thác trong 40 năm nữa.
Điều này cho thấy rằng giá dầu trong tương lai có giá leo thang. Và như
chúng ta được biết thì 2/3 mỏ dầu nằm ở khu vực Trung Đông là khu vực vốn
không ổn định về kinh tế chính trị.
• Khí tự nhiên:
Khí tự nhiên được dự báo là nguồn năng lượng có tốc độ tăng trưởng khá
nhanh và đã vượt sản lượng than vào năm 1999, tương lai sẽ qua mặt sản
lượng tiêu thụ than đến 38% trong năm 2020. Tổng tiêu thụ khí tự nhiên đạt
được 23% trong năm 1999 và tăng 29% trong năm 2020. Trong thế giới đang

phát triển việc gia tăng khí tự nhiên có tốc độ cao nhất, với tốc độ trung bình
trong suốt thời kỳ dự báo là 5.3% nhằm phục vụ nhu cầu phát điện và phát
triển công nghiệp.
Tài nguyên khí tự nhiên so với tài nguyên dầu thì nó có tính chất thuần
khiết hơn, cho phép đốt cháy hoàn toàn và linh hoạt trong việc sử dụng hơn,
đồng thời thời gian sử dụng cũng lâu hơn.
Ngày nay các chuyên gia của chúng ta dự đoán còn khoảng 60 năm nữa
cho việc khai thác khí tự nhiên này. Trên thực tế thì 70% năng lượng này phụ
thuộc vào Liên Xô cũ và khu vực bất ổn Trung Đông.
• Tiêu thụ than:
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Than được sử dụng 65% cho việc tiêu thụ điện trên thế giới . Theo tình
hình chung sản lượng này tăng một cách chậm chạp với tốc độ trung bình
1.7% năm. Trong thời gian dự báo, 22% sản lượng than cho năm 1999 và đến
năm 2020 chỉ còn 20%. Tuy nhiên, trữ lượng than vẫn còn sử dụng nhiều ở
thị trường Trung Quốc, Ấn Độ .
Chúng ta còn 230 năm nữa cho việc khai thác các hầm mỏ than. Sở dĩ
việc khai thác than không được đẩy mạnh là do việc tiêu thụ than gây ra bụi,
khí độc hại, và khí thải của nó chiếm một lượng rất lớn điều này đã ngăn cản
năng lượng than trong tương lai.
Sau đây các biểu đồ thống kê về tình hình sử dụng năng lượng trên các
lĩnh vực: công nghiêp, sinh hoạt và giao thông. Trong đó dầu mỏ chiếm tỷ
trọng lớn nhất.
Hình 1.2: Nhu cầu nănglượng cho công nghiệp
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Hình 1.3: Nhu cầu năng lượng cho sinh hoạt

Hình 1.4: Nhu cầu năng lượng cho giao thông
Nhưng nguồn năng lượng hóa thạch này không phải là vô tận. Với tốc độ
khai thác như hiện nay thì lượng dầu mỏ trên thế giới sẽ bị cạn kiệt trong

vòng 40 năm nữa. Sự khan hiếm đã làm cho giá dầu mỏ ngày càng tăng.
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Hình 1.5: Giá dầu khí ngày càng tăng
II. Những giải pháp được đưa ra
1. Các nguồn năng lượng tái tạo (Renewable energy)
Trước sức ép của cuộc khủng hoảng năng lượng. Con người đã và đang
liên tục tìm kiếm những nguồn năng lượng để thay thế cho năng lượng hóa
thạch đang dần cạn kiệt:
• Photovoltaics (PV) : Tạo ra từ những tấm pin quang điện.
• Concentrating solar power (một dạng của năng lượng mặt trời)
• Geothermal (địa nhiệt )
• Hydro power (thủy điện)
• Wind power (năng lượng gió)
• Biomass
• Ocean energy (năng lượng thủy triều)
Đây là những nguồn năng lượng sạch và hết sức thân thiện với môi
trường. Tuy nhiên, giá thành sản xuất còn quá cao, do chi phí để nghiên cứu
và lắp đặt khá tốn kém, khó có thể chấp nhận được, nhất là ở những nước
đang phát triển.
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Hình 1.6: Giá điện sản xuất từ các loại năng lượng
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Một vấn đề khác nữa là liệu công suất của những nguồn năng lượng này
tạo ra có đủ đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của con người hay không?
(1 tep = 11.6MWh)
Hình 1.7: Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trong tương lai
Ta thấy tỷ trọng của năng lượng tái tạo là rất nhỏ so với các nguồn năng
lượng khác. Mặt khác, dựa vào biểu đồ trên ta thấy là vào khoảng năm 2050
thì nguồn năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, khí đốt… sẽ cạn kiệt và dẫn đến
thiếu hụt công suất điện năng là khoảng 2.5Gtep. Vậy chúng ta lấy ở đâu ra

để bù đắp cho những thiếu hụt này?
Và giải pháp được đưa ra là năng lượng nguyên tử (Nuclear Power). Đây
có phải là một giải pháp tốt?
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
2. Năng lượng hạt nhân (Nuclear Power), một giải pháp tốt?
a) Trước hết ta xét đến những mặt tích cực của nguồn năng lượng
này:
 Tương quan về mặt năng lượng khi đốt 1kg nhiên liệu:
Gỗ 1 KWh
Than 3 KWh
Dầu 4 KWh
Uranium 50.000 KWh
Plutonium 6.000.000 KWh
 Không thải ra khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính (greenhouse)
 Lượng khí hoặc chất thải ra môi trường đã được xử lý an toàn
với công nghệ hiện nay.
 Số lượng uranium còn rất lớn (5 tỷ tấn dưới lòng đại dương) so
sánh với công suất mà 1 kg uranium mang lại thì ta thấy đây là
một nguồn năng lượng dồi dào.
b) Ngoài những mặt ưu việt như trên, thì việc sử dụng năng lượng hạt
nhân cũng còn nhiều vấn đề bất cập sau:
• Sử dụng hạt nhân trong lĩnh vực quân sự, nguyên nhân gây mất hòa
bình trên toàn thế giới
• Những rủi ro xảy ra trong quá trình vận chuyển.
• Hậu quả của những sự cố khi vận hành nhà máy điện hạt nhân là rất
lớn, và để lại hậu quả cho nhiều thế hệ sau này.
Nhưng với việc đang phát triển thế hệ nhà máy hạt nhân thứ 4 (generation
IV) thì những rủi ro đã được hạn chế đến mức tối đa, xác suất để xảy ra
những rủi ro là rất thấp.
Phần I – Chương 1 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú

 Tuy năng lượng hạt nhân vẫn còn một số bất cập cần được giải quyết
như đã nêu trên, nhưng đây có lẽ là một nguồn năng lượng không thể thiếu
trong thế kỉ 21.
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
CHƯƠNG 2 :
SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ
NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ
I. Lịch sử hình thành hạt nhân nguyên tử
1. Henri Becquerel và những khám phá ban đầu về các bức xạ của
nguyên tố Uranium
Henri Becquerel một giáo sư vật lý tại Viện Bảo Tàng Lịch Sử Thiên
Nhiên Henri Becquerel cũng là một nhà vật lý thuộc Hàn Lâm Viện Khoa
Học. Becquerel nhận thấy tia X đã làm sáng màn huỳnh quang trong khi đó,
trạng thái huỳnh quang đã được cha của ông khảo cứu kỹ càng. Becquerel
liền chú ý tới khám phá của Roentgen.
Becquerel thấy rằng những chất chứa Uranium và ngay cả các hợp chất có
Uranium mà không có tính chất huỳnh quang, đều có thể phát ra các tia bức
xạ trong khi các hợp chất khác chứa Calcium hay Kẽm chẳng hạn lại không
có tính chất trên. Sau nhiều thí nghiệm, Becquerel đi tới kết luận chất
Uranium là nguyên nhân khiến các bản thu ảnh bị tác dụng và ông đã nghĩ tới
việc thí nghiệm bằng Uranium nguyên chất nhưng cho tới thời bấy giờ, chưa
có thứ kim loại này. Ông đành chờ đợi.
Như vậy Becquerel đã khám phá ra tính chất của một thứ kim loại mới có
khả năng phát ra các tia bức xạ. Nhưng các điều khám phá của Roentgen và
Becquerel chưa khiến cho các nhà bác học đương thời lưu ý. Những điều tìm
thấy đó bị bỏ quên trong một năm rưỡi, cho tới cuối năm 1897, mới được
Marie Curie để tâm đến.
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
2. Phóng xạ Polonium của nhà khoa học nữ Marie Curie
Marie Curie - đang theo đuổi luận án tiến sĩ - bắt đầu cuộc tìm kiếm và

sau rất nhiều lần thử với vô số vật chất, bà đã để tâm tới chất pechblende.
Pechblende là một khoáng chất chứa Uranium kết tinh. Marie Curie đã
ngạc nhiên thấy pechblende cho các tia bức xạ mạnh hơn các tia của kim loại
Uranium nguyên chất. Nếu vậy trong pechblende phải có một nguyên tố nào
chưa biết, có đặc tính phát ra các tia đâm thâu, vì vậy phải tìm ra chất đó.
Hình 2.1: Nhà khoa học Marie Curie
Vào cuối năm 1898, ông bà Curie công bố việc khám phá ra một chất mới
thứ hai: chất Radium. Ngày 26/12/1898, Becquerel trình bày sự khám phá ra
chất Radium của ông bà Curie trước Hàn Lâm Viện Khoa Học Pháp. Như
vậy giới khoa học đã biết tới 3 chất phóng xạ. Chất thứ tư là Thorium được
khảo sát do R. B. Owens, Giáo Sư thuộc Đại Học McGill tại Montreal,
Canada.
3. Ernest Rutherford với những kết luận Uranium X và Thorium X
Rutherford sinh trưởng tại Tân Tây Lan. Ngay từ nhỏ, ông đã nổi danh là
một thần đồng. Khi còn theo học tại trường trung học Nelson, Rutherford rất
giỏi về Toán, Lý, Hóa, Sử, La Tinh, Pháp Văn và Văn Chương Anh. Ông đã
đỗ đạt rất sớm với hạng rất cao. Cuối năm 1825, Rutherford được gửi theo
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
học tại Đại Học Cambridge. Thời bấy giờ giám đốc phòng thí nghiệm
Cavendish là nhà bác học J. J. Thomson nhận thấy Rutherford là người có
tài, nên nhận Rutherford làm phụ tá. Thomson và Rutherford cùng nghiên
cứu về tia X và sự Ion hóa các chất khí trong hơn một năm trường.
Hình 2.2: nhà khoa học Ernest Rutherford
Vào mùa hè năm 1900, Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn
nghi ngờ với tên gọi là Thorium X.
Rutherford khảo sát sự ion hóa và thấy rằng Uranium phát ra hai loại tia
mà ông đặt tên là tia alpha và tia bêta. Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi của
trường Đại Học McGill là Arthur Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng
như Uranium chỉ cho tia α trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia β.
Thập niên 1900, Rutherford và Soddy đều đã khuyến cáo rằng khí Hélium

có thể là một nguyên tố do từ sự biến dịch của các chất Uranium và Radium.
Vì thế từ mùa xuân năm 1903, Rutherford tìm cách lấy khí Hélium từ chất
Radium trong khi Soddy lại nghĩ tới việc tạo ra Radium từ Uranium.
Năm 1907, Geiger và Rutherford đã dùng lại phát minh của John S.
Towsend, một người bạn cũ của Rutherford tại Cambridge và bổ túc bằng
những ý kiến của nhà toán học trẻ tuổi Paul J. Kirby. Hai nhà bác học kể trên
đã hoàn thành một máy đếm nhờ đó người ta đếm được các hạt điện tử. Vào
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
mùa hè năm 1908, Rutherford và Geiger còn suy ra rằng hạt điện tử alpha
giống hệt như nguyên tử Hélium (Rutherford được trao Giải Thưởng Nobel
1908 về Hóa Học).
Từ đầu năm 1909, với sự phụ tá của Geiger và Ernest Marsden, một sinh
viên trẻ tuổi, Rutherford vẫn tiếp tục nghiên cứu về các chất phóng xạ để rồi
tới tháng 5 năm 1911, ông cho phổ biến trên tạp chí The Philosophical
Magazine ý tưởng về một kiểu mẫu nguyên tử. Nguyên tử khi đó được quan
niệm là một khoảng trống không, bên ngoài có các điện tử di chuyển chung
quanh một tâm phân tán theo một điện trường có cường độ giảm theo bình
phương khoảng cách. Tâm phân tán này rất nhỏ, có điện dương và khối
lượng tương đối rất lớn. Lý thuyết nguyên tử của Rutherford giống như thái
dương hệ, đã cho phép cắt nghĩa được nhiều hiện tượng nhưng một trở ngại
được nêu lên. Nếu có các điện tử xoay quanh nhân, thì chắc hẳn phải có sự
phát ra ánh sáng và do đó, sinh ra sự co lại của các quỹ đạo khiến cho các
điện tử sẽ bị rơi vào nhân trong khi theo sự nhận xét, điều này đã không xảy
ra.
Tới mùa xuân năm 1912, tất cả khoa học gia tại Manchester đều công
nhận kiểu mẫu nguyên tử của Rutherford.
4. Lý thuyết nguyên tử Bohr
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú

Hình 2.3: nhà khoa học Niels Bohr

Vào tháng 7 năm 1913, Bohr công bố những ý tưởng mới về nguyên tử
và đề nghị gọi “tâm phân tán” là “nhân”. Bohr đi tới kết luận như sau: ông
công nhận hình ảnh về nguyên tử của Rutherford nhưng ông đặt giả thuyết
rằng các điện tử xoay với vận tốc đều trên các quỹ đạo cố định chung quanh
nhân, nhưng không phát ra ánh sáng và vì vậy, không bị kéo về phía nhân.
Tại các quỹ đạo này, các điện tử ở trong trạng thái ổn định nghĩa là năng
lượng của chúng không bị thay đổi. Tuy nhiên vì các sự hỗn loạn do bên
ngoài gây nên, chẳng hạn như sự đụng chạm hay bức xạ, các điện tử sẽ bị dời
chỗ tạm thời để rồi trở về quỹ đạo cũ bằng cách nhẩy vọt và mỗi lần nhẩy vọt
từ quỹ đạo ngoài vào quỹ đạo trong kế cận sẽ phát ra một quang tử
(quantum) và quang tử này tiêu biểu cho sự khác biệt về năng lượng giữa quỹ
đạo bên ngoài vừa từ bỏ và quỹ đạo bên trong vừa chấp nhận. Như vậy ánh
sáng chỉ được phát ra trong trường hợp này mà thôi.
5. Sự phân hạch tâm
Năm 1938, các nhà khoa học khám phá thấy rằng nếu dùng trung hòa tử
để bắn vào nhân nguyên tử Uranium, nhân này sẽ bị tách ra làm hai đồng thời
phát ra một năng lượng cực lớn. Trong chuyến du hành qua Hoa Kỳ, đã bàn
luận về năng lượng của nguyên tử với Albert Einstein và với nhiều nhà bác
học khác trong đó có cả Enrico Fermi, khi đó đang làm việc tại trường Đại
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Học Columbia. Thời bấy giờ chưa có nhà bác học nào biết rằng giữa hai chất
Uranium 238 và Uranium 235 với lượng rất ít, chất Uranium nào đã bị phân
hạch tâm để phát ra năng lượng lớn. Bohr đã cùng Tiến Sĩ John A. Wheeler
nghiên cứu vấn đề này và trong vài ngày, đã đi đến kết luận rằng chỉ có chất
Uranium 235 bị chia tách.
Năm 1934, nhà vật lý Hoa Kỳ gốc Ý Enrico Fermi đã thực hiện được việc
phân hạch tâm nhưng phản ứng này chưa được công nhận cho đến năm 1939,
khi các nhà khoa học Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann công bố rằng họ đã
tách được nhân Uranium do bắn bằng nơtron.
Các phản ứng hạt nhân có các ích lợi thực tế gồm việc phân chia một

nhân nặng thành các nhân nhẹ, gọi là “phân hạch tâm” và việc phối hợp hai
nhân nhẹ thành một nhân nặng, gọi là “hợp hạch tâm”.
Cho đến nay, về cơ bản người ta vẫn sử dụng mẫu Bohr và gọi nó là mẫu
hành tinh nguyên tử. Từ đó mở ra một nghành vật lý hoàn toàn mới là ngành
cơ học lượng tử. Đối tượng nguyên cứu của nó là các nguyên tử, hạt nhân
nguyên tử và các hạt cơ bản. Cùng với cơ học lượng tử, lý thuyết tương đối
do nhà bác học vĩ đại người Đức Albert Einstien (1897-1955) đưa ra từ năm
1905 đến năm 1916 là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết
các hạt cơ bản.
Với công thức liên hệ giữa khối lượng vật chất và năng lượng tương
đương chứa trong khối chất này:
E = mc
2
Albert Einstein xứng đáng được mệnh danh là “Cha đẻ của ngành năng
lượng nguyên tử”.
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
Hình 2.4 : Nhà khoa học Albert Einstein
Đầu các năm 30 của thế kỷ XX cùng với nhiều máy móc trong lĩnh vực
vô tuyến, phổ kế ra đời đã tạo điều kiện cho vật lý có những phát minh có
tính quyết định trong ngành hạt nhân nói chung và công nghệ hạt nhân nói
riêng. Người ta phát hiện ra các hiện tượng phân rã hạt nhân, phát hiện tính
phóng xạ tự nhiên của nhiều nguyên tố, người ta tiến hành nghiên cứu được
nhiều phản ứng hạt nhân trong đó có hai loại phản ứng hết sức quan trọng là
phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, tạo ra một
ngành công nghệ mới mẻ sản xuất năng lượng phục vụ con người, chỉ ra
được hướng giải quyết căn bản bài toán năng lượng cho loài người.
II. Các nội dung liên quan đến hạt nhân nguyên tử:
1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:
Sau rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học về mẫu hành tinh nguyên
tử, ta có thể tưởng tượng được thành phần của một nguyên tử bao gồm: vỏ

ngoài được cấu tạo bởi các electron (điện tử) mang điện tích âm có khối
lượng m
e
= 9.1095 x 10
-31
kg. Hạt nhân bên trong chứa nuclon là tên gọi
chung của proton và nơtron với khối lượng m
p
=1.6724 x 10
-27
kg, m
n
=
1.6748 x 10
-27
kg. Thể tích của hạt nhân chỉ khoảng 10
-14
thể tích nguyên tử
Phần I – Chương 2 GVHD:Th.S Vũ Phan Tú
nhưng do khối lượng electron rất nhỏ nên khối lượng chủ yếu tập trung chủ
yếu tại hạt nhân.
Hình 2.5: mô hình nguyên tử
Ký hiệu hóa học của nguyên tử
Z
N
X
hoặc
N
X

Z
Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong hệ thống
tuần hoàn. N là ký hiệu số nơtron của nguyên tử. Do đó tổng số nuclon của
nguyên tử hay còn được gọi là số khối được ký hiệu là: A = Z + N.
Đồng vị của các nguyên tố:
Các nguyên tử có cùng một nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác
nhau được gọi là đồng vị. Có nghĩa là có cùng số proton Z nhưng lại khác số
nơtron N.
Ví dụ : carbon có 3 đồng vị
C
11
6
,
C
12
6
,
C
13
6
Còn đồng vị phóng xạ là đồng vị không bền vững của các nguyên tố có
tính phóng xạ. Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phóng xạ tự nhiên nằm
trong các họ phóng xạ mà các đồng vị khởi đầu là các hạt nhân U235, U238,