Sự phát triển công nghệ qua nhiều năm đã cho phép chúng ta có được kiến thức về những nguyên lý vật lý tuyệt vời, như khám phá ra tia X đã cách mạng hóa y học, công trình của Newton cho phép Einstein nghiên cứu về thuyết tương đối, hoặc khám phá ra nguyên tử dẫn đến phân hạch hạt nhân.
Tất cả những thành tựu này luôn gây tranh cãi trong cộng đồng khoa học, coi đó là những phát hiện tuyệt vời nhưng cũng tiềm ẩn nguy hiểm theo một số khía cạnh.
Xã hội thế kỷ 21 đã đặt câu hỏi trong nhiều năm về một phát hiện đã cách mạng hóa thế giới: đó chính là năng lượng hạt nhân!
Năng lượng hạt nhân hoặc năng lượng nguyên tử là năng lượng thu được từ các phản ứng hạt nhân và sự phân rã phóng xạ dưới dạng động năng và được sử dụng trong nhiều công nghệ khác nhau, như nhà máy điện hạt nhân để tạo ra điện. Vào năm 2020, năng lượng hạt nhân chỉ chiếm 10% sản lượng điện toàn cầu, mặc dù nó là một trong những nguồn năng lượng an toàn nhất xét về số ca tử vong trên mỗi đơn vị năng lượng được sản xuất. Vậy tại sao công chúng lại e ngại khi sử dụng công nghệ này?
Hãy cùng tìm hiểu cách một nhà máy điện hạt nhân hoạt động và xem từng bước chi tiết.
Các nhà máy điện hạt nhân là những công trình lớn và rất phức tạp, được sử dụng như nhà máy điện và sản xuất năng lượng thông qua phân hạch hạt nhân.
Phân hạch hạt nhân là một phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tố nặng phân rã, phát ra một lượng lớn năng lượng; phản ứng xảy ra khi một hạt nhân kim loại nặng, chẳng hạn như uranium-235, bị bắn phá, tức là bị một neutron tấn công làm vỡ hạt nhân và giải phóng ba neutron mới và năng lượng. Một trong những neutron này bị hấp thụ bởi một hạt nhân uranium-238 khác và bị mất trong cân bằng, một neutron khác có thể thoát ra khỏi hệ thống, và neutron thứ ba va chạm với một hạt nhân uranium-235 khác, phá vỡ nó và giải phóng thêm nhiều neutron, lần lượt sẽ tấn công các hạt nhân uranium-235 khác, tạo thành một phản ứng dây chuyền.
Phản ứng này là nền tảng của lò phản ứng hạt nhân, quản lý sự phân rã của vật liệu nặng theo cách được kiểm soát.
Bây giờ hãy xem nhà máy điện hạt nhân được cấu tạo như thế nào và hoạt động ra sao!
Cơ sở này được chia chủ yếu thành hai đảo: đảo thứ nhất là tòa nhà chứa lò phản ứng, được gọi là đảo hạt nhân, trong khi đảo thứ hai được gọi là đảo thông thường, nơi quản lý năng lượng hạt nhân thu được để biến đổi nó thành điện năng.
Tất cả những thành tựu này luôn gây tranh cãi trong cộng đồng khoa học, coi đó là những phát hiện tuyệt vời nhưng cũng tiềm ẩn nguy hiểm theo một số khía cạnh.
Xã hội thế kỷ 21 đã đặt câu hỏi trong nhiều năm về một phát hiện đã cách mạng hóa thế giới: đó chính là năng lượng hạt nhân!
Năng lượng hạt nhân hoặc năng lượng nguyên tử là năng lượng thu được từ các phản ứng hạt nhân và sự phân rã phóng xạ dưới dạng động năng và được sử dụng trong nhiều công nghệ khác nhau, như nhà máy điện hạt nhân để tạo ra điện. Vào năm 2020, năng lượng hạt nhân chỉ chiếm 10% sản lượng điện toàn cầu, mặc dù nó là một trong những nguồn năng lượng an toàn nhất xét về số ca tử vong trên mỗi đơn vị năng lượng được sản xuất. Vậy tại sao công chúng lại e ngại khi sử dụng công nghệ này?
Hãy cùng tìm hiểu cách một nhà máy điện hạt nhân hoạt động và xem từng bước chi tiết.
Các nhà máy điện hạt nhân là những công trình lớn và rất phức tạp, được sử dụng như nhà máy điện và sản xuất năng lượng thông qua phân hạch hạt nhân.
Phân hạch hạt nhân là một phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tố nặng phân rã, phát ra một lượng lớn năng lượng; phản ứng xảy ra khi một hạt nhân kim loại nặng, chẳng hạn như uranium-235, bị bắn phá, tức là bị một neutron tấn công làm vỡ hạt nhân và giải phóng ba neutron mới và năng lượng. Một trong những neutron này bị hấp thụ bởi một hạt nhân uranium-238 khác và bị mất trong cân bằng, một neutron khác có thể thoát ra khỏi hệ thống, và neutron thứ ba va chạm với một hạt nhân uranium-235 khác, phá vỡ nó và giải phóng thêm nhiều neutron, lần lượt sẽ tấn công các hạt nhân uranium-235 khác, tạo thành một phản ứng dây chuyền.
Phản ứng này là nền tảng của lò phản ứng hạt nhân, quản lý sự phân rã của vật liệu nặng theo cách được kiểm soát.
Bây giờ hãy xem nhà máy điện hạt nhân được cấu tạo như thế nào và hoạt động ra sao!
Cơ sở này được chia chủ yếu thành hai đảo: đảo thứ nhất là tòa nhà chứa lò phản ứng, được gọi là đảo hạt nhân, trong khi đảo thứ hai được gọi là đảo thông thường, nơi quản lý năng lượng hạt nhân thu được để biến đổi nó thành điện năng.
Bên ngoài, đảo hạt nhân trông giống như một khối bê tông lớn để cô lập lò phản ứng đặt ở trung tâm cơ sở. Trong lò phản ứng, chúng ta tìm thấy lõi hoặc hạt nhân được cấu tạo từ vật liệu phân hạch, thường là hỗn hợp của uranium-238 và uranium-235. Một chất điều tiết, thường là nước nặng hoặc graphite, được sử dụng để làm chậm các neutron sinh ra, làm tăng khả năng phân hạch.
Trong lò phản ứng cũng có các thanh điều khiển bằng kim loại được sử dụng để bắt neutron dư thừa và được đưa vào lõi để điều tiết công suất của phản ứng, và nếu cần thiết để dừng quá trình trong trường hợp nguy kịch. Nếu phản ứng đạt đến mức độ nguy kịch, nó sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng, dẫn đến lõi bị nóng chảy, làm hỏng tường chứa và phát tán vật liệu phóng xạ vào môi trường. Các mảnh của phản ứng khi giảm tốc độ tạo ra nhiệt được chất lỏng truyền nhiệt bao quanh lõi uranium hấp thụ. Đơn giản mà nói, chất lỏng truyền nhiệt hoạt động tương tự như nước nóng trong hệ thống sưởi có bộ tản nhiệt, trong đó nước mang nhiệt do lò đốt tạo ra đến các điểm khác nhau trong phòng. Chất lỏng truyền nhiệt nén đi tới lõi có nhiệt độ 290°C và đạt đến 320°C ở áp suất 15 MPa để không bị sôi.
Chất lỏng đã được đun nóng đi qua một máy phát hơi, nơi tạo ra hơi nước bão hòa ẩm; tại thời điểm này, nó đi qua một bộ tách ẩm, biến nó thành hơi nước bão hòa khô, và thông qua một hệ thống dẫn, được vận chuyển đến một tuabin hơi đặt trong đảo thông thường ở nhiệt độ cuối cùng là 290°C và áp suất 5 MPa. Một bộ điều áp được sử dụng để duy trì áp suất ổn định. Tuabin là một thiết bị truyền động sử dụng năng lượng nhiệt của hơi nước, chuyển đổi nó thành công cơ học. Với năng lượng đã được chuyển đổi, tuabin làm quay máy phát điện được sử dụng để sản xuất điện năng; nguyên tắc tương tự được sử dụng trong các nhà máy phát điện nhiên liệu phổ biến nhất, cũng như trong các nhà máy thủy điện hoặc các trang trại điện gió.
Như chúng ta đã thấy, toàn bộ quy trình tạo ra một lượng lớn hơi nước, cần được quản lý khi nó thoát ra khỏi tuabin; bằng cách làm nguội, hơi nước trở lại trạng thái lỏng và có thể tái sử dụng trong quy trình. Một bộ ngưng được đặt dưới tuabin để làm mát hơi nước và nhờ một chất làm mát, nó được biến đổi thành nước. Khối lượng nước đi ra từ bộ ngưng có nhiệt độ rất cao và không thể thải ra bể chứa gốc, nếu không sẽ làm hỏng hệ sinh thái; đó là lý do tại sao người ta ưu tiên xây dựng nhà máy điện hạt nhân gần sông, hồ hoặc biển, nơi khối lượng nước lớn có thể hạ dần nhiệt độ nước từ bộ ngưng mà không gây hại. Đối với các nhà máy được xây dựng trong đất liền, cần có một vòng làm mát kín; hệ thống được sử dụng phổ biến nhất là các tháp làm mát tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức, với sự hỗ trợ của các quạt lớn.
Trong lò phản ứng cũng có các thanh điều khiển bằng kim loại được sử dụng để bắt neutron dư thừa và được đưa vào lõi để điều tiết công suất của phản ứng, và nếu cần thiết để dừng quá trình trong trường hợp nguy kịch. Nếu phản ứng đạt đến mức độ nguy kịch, nó sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng, dẫn đến lõi bị nóng chảy, làm hỏng tường chứa và phát tán vật liệu phóng xạ vào môi trường. Các mảnh của phản ứng khi giảm tốc độ tạo ra nhiệt được chất lỏng truyền nhiệt bao quanh lõi uranium hấp thụ. Đơn giản mà nói, chất lỏng truyền nhiệt hoạt động tương tự như nước nóng trong hệ thống sưởi có bộ tản nhiệt, trong đó nước mang nhiệt do lò đốt tạo ra đến các điểm khác nhau trong phòng. Chất lỏng truyền nhiệt nén đi tới lõi có nhiệt độ 290°C và đạt đến 320°C ở áp suất 15 MPa để không bị sôi.
Chất lỏng đã được đun nóng đi qua một máy phát hơi, nơi tạo ra hơi nước bão hòa ẩm; tại thời điểm này, nó đi qua một bộ tách ẩm, biến nó thành hơi nước bão hòa khô, và thông qua một hệ thống dẫn, được vận chuyển đến một tuabin hơi đặt trong đảo thông thường ở nhiệt độ cuối cùng là 290°C và áp suất 5 MPa. Một bộ điều áp được sử dụng để duy trì áp suất ổn định. Tuabin là một thiết bị truyền động sử dụng năng lượng nhiệt của hơi nước, chuyển đổi nó thành công cơ học. Với năng lượng đã được chuyển đổi, tuabin làm quay máy phát điện được sử dụng để sản xuất điện năng; nguyên tắc tương tự được sử dụng trong các nhà máy phát điện nhiên liệu phổ biến nhất, cũng như trong các nhà máy thủy điện hoặc các trang trại điện gió.
Như chúng ta đã thấy, toàn bộ quy trình tạo ra một lượng lớn hơi nước, cần được quản lý khi nó thoát ra khỏi tuabin; bằng cách làm nguội, hơi nước trở lại trạng thái lỏng và có thể tái sử dụng trong quy trình. Một bộ ngưng được đặt dưới tuabin để làm mát hơi nước và nhờ một chất làm mát, nó được biến đổi thành nước. Khối lượng nước đi ra từ bộ ngưng có nhiệt độ rất cao và không thể thải ra bể chứa gốc, nếu không sẽ làm hỏng hệ sinh thái; đó là lý do tại sao người ta ưu tiên xây dựng nhà máy điện hạt nhân gần sông, hồ hoặc biển, nơi khối lượng nước lớn có thể hạ dần nhiệt độ nước từ bộ ngưng mà không gây hại. Đối với các nhà máy được xây dựng trong đất liền, cần có một vòng làm mát kín; hệ thống được sử dụng phổ biến nhất là các tháp làm mát tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức, với sự hỗ trợ của các quạt lớn.
