Năng lượng điện hạt nhân là gì? Phản ứng phân hạch hạt nhân là gì?

Năng lượng điện hạt nhân là gì?

Năng lượng điện hạt nhân là một dạng năng lượng được giải phóng từ hạt nhân – phần lõi của nguyên tử, được cấu tạo bởi các proton và neutron. Nguồn năng lượng này có thể được tạo ra theo hai cách: phân hạch – khi hạt nhân của nguyên tử tách ra thành nhiều phần nhỏ hơn – hoặc nhiệt hạch – khi các hạt nhân hợp nhất lại với nhau.

Năng lượng điện hạt nhân được khai thác trên toàn thế giới hiện nay để sản xuất điện chủ yếu thông qua phản ứng phân hạch, trong khi công nghệ tạo điện bằng phản ứng nhiệt hạch vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.

Phản ứng phân hạch hạt nhân là gì?

Phân hạch hạt nhân là một phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tử bị tách ra thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng.

Ví dụ, khi một neutron va chạm vào hạt nhân của nguyên tử uranium-235, hạt nhân này sẽ tách ra thành hai hạt nhân nhỏ hơn, chẳng hạn như hạt nhân bari và hạt nhân krypton, cùng với hai hoặc ba neutron mới. Những neutron này tiếp tục va chạm với các nguyên tử uranium-235 khác xung quanh, khiến chúng cũng bị phân hạch và tạo thêm nhiều neutron khác — gây ra phản ứng dây chuyền chỉ trong một phần nhỏ của giây.

Mỗi lần phản ứng xảy ra, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt và bức xạ. Lượng nhiệt này có thể được chuyển hóa thành điện năng trong nhà máy điện hạt nhân, tương tự như cách nhiệt từ nhiên liệu hóa thạch như than, khí đốt hoặc dầu được sử dụng để sản xuất điện.

Nhà máy điện hạt nhân hoạt động như thế nào?

Bên trong các nhà máy điện hạt nhân, các lò phản ứng hạt nhân và thiết bị của chúng có nhiệm vụ chứa và kiểm soát phản ứng dây chuyền, thường được cung cấp nhiên liệu bằng uranium-235, để tạo ra nhiệt thông qua quá trình phân hạch.

Nguồn nhiệt này làm nóng chất làm mát của lò phản ứng – thường là nước – để tạo ra hơi nước.
Hơi nước sau đó được dẫn qua các tuabin, làm tuabin quay và kích hoạt máy phát điện, từ đó tạo ra điện năng ít phát thải carbon.

Khai thác và xử lý uranium

Uranium là một kim loại có thể được tìm thấy trong đá ở khắp nơi trên thế giới. Uranium có nhiều đồng vị tự nhiên, tức là các dạng của cùng một nguyên tố khác nhau về khối lượng và tính chất vật lý nhưng có cùng tính chất hóa học. Uranium có hai đồng vị nguyên thủy: uranium-238 và uranium-235. Uranium-238 chiếm phần lớn uranium trên thế giới nhưng không thể tạo phản ứng dây chuyền phân hạch, trong khi uranium-235 có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng bằng phân hạch, nhưng chiếm dưới 1% tổng lượng uranium trên thế giới.

Để tăng khả năng phân hạch của uranium tự nhiên, cần phải tăng hàm lượng uranium-235 trong một mẫu nhất định thông qua một quá trình gọi là làm giàu uranium. Khi uranium đã được làm giàu, nó có thể được sử dụng hiệu quả làm nhiên liệu hạt nhân trong các nhà máy điện trong khoảng ba đến năm năm, sau đó vẫn còn phóng xạ và phải được xử lý theo các quy định nghiêm ngặt để bảo vệ con người và môi trường.

Nhiên liệu đã sử dụng, hay còn gọi là nhiên liệu đã qua sử dụng (spent fuel), cũng có thể được tái chế thành các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu mới trong các nhà máy điện hạt nhân đặc biệt.

Chu trình nhiên liệu hạt nhân

Chu trình nhiên liệu hạt nhân là một quy trình công nghiệp bao gồm nhiều bước để sản xuất điện từ uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Chu trình bắt đầu từ khai thác uranium và kết thúc với xử lý chất thải hạt nhân.

Chất thải hạt nhân

Hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân tạo ra chất thải có mức độ phóng xạ khác nhau. Các chất thải này được quản lý theo cách khác nhau tùy thuộc vào mức độ phóng xạ và mục đích sử dụng.

Chất thải phóng xạ

Chất thải phóng xạ chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng chất thải. Nó là sản phẩm phụ của hàng triệu thủ thuật y tế mỗi năm, các ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp sử dụng bức xạ, cũng như các lò phản ứng hạt nhân tạo ra khoảng 11% điện năng toàn cầu. Hoạt hình này giải thích cách quản lý chất thải phóng xạ nhằm bảo vệ con người và môi trường khỏi bức xạ hiện nay và trong tương lai.

Thế hệ nhà máy điện hạt nhân tiếp theo, còn gọi là lò phản ứng tiên tiến đổi mới, sẽ tạo ra ít chất thải hạt nhân hơn nhiều so với các lò phản ứng hiện nay. Dự kiến, chúng có thể bắt đầu được xây dựng vào năm 2030.

Điện hạt nhân và biến đổi khí hậu

Điện hạt nhân là một nguồn năng lượng ít phát thải carbon, bởi vì khác với các nhà máy điện than, dầu hoặc khí, các nhà máy điện hạt nhân gần như không thải CO₂ trong quá trình vận hành. Các lò phản ứng hạt nhân sản xuất gần một phần ba điện năng không phát thải carbon trên toàn thế giới và đóng vai trò quan trọng trong việc đạt các mục tiêu về biến đổi khí hậu.

Nhìn chung, năng lượng điện hạt nhân là một nguồn năng lượng tiềm năng với khả năng cung cấp điện ổn định, sạch và ít phát thải khí nhà kính, góp phần quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng hạt nhân cũng đòi hỏi những biện pháp quản lý nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn, xử lý chất thải phóng xạ và hạn chế rủi ro. Với sự tiến bộ về công nghệ và quản lý, năng lượng hạt nhân có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược năng lượng bền vững, vừa phục vụ con người, vừa bảo vệ môi trường cho thế hệ tương lai.

Cảm ơn bạn đã dành thời gian theo dõi bài viết của chúng tôi. Hy vọng những thông tin trong bài đã mang đến cho bạn những kiến thức bổ ích và trải nghiệm thú vị. Hãy click vào đây để khám phá thêm nhiều bài viết hấp dẫn khác!