Xem mẫu
- DOE/NE-0088
Kiên Giang, 2009
hiepkhachquay d ch
- 1
L ch s năng lư ng h t nhân
M c dù chúng nh bé, nhưng các nguyên t có m t lư ng l n năng lư ng gi
chúng l i v i nhau. Các ng v nh t nh c a m t s nguyên t có kh năng phân tách và
s gi i phóng năng lư ng c a chúng dư i d ng nhi t. S phân tách này ư c g i là s phân
h ch. Nhi t gi i phóng trong s phân h ch có th dùng giúp phát i n trong các nhà
máy i n.
Uranium 235 (U-235) là m t trong các ng v d dàng phân h ch. Trong khi phân
h ch, các nguyên t U-235 h p th các neutron ch m. S h p th này làm cho U-235 tr
nên không b n và phân tách thành hai nguyên t nh g i là các s n ph m phân h ch.
T ng kh i lư ng c a các s n ph m phân h ch nh hơn kh i lư ng c a U-235 ban
u. S suy gi m kh i lư ng x y ra vì m t ph n v t ch t ã chuy n hóa thành năng lư ng.
Năng lư ng ư c gi i phóng dư i d ng nhi t. Hai ho c ba neutron ư c gi i phóng kèm
theo v i nhi t. Các neutron này có th va ch m v i nh ng nguyên t khác, gây ra nhi u s
phân h ch hơn.
M t chu i phân h ch liên ti p ư c g i là ph n ng dây chuy n. N u lư ng
uranium ư c mang l i v i nhau dư i nh ng i u ki n nh t nh, thì s x y ra m t ph n
ng dây chuy n liên t c. Hi n tư ng này g i là ph n ng dây chuy n t duy trì. M t ph n
ng dây chuy n t duy trì sinh ra lư ng nhi t r t l n, có th dùng giúp phát i n.
Nhà máy i n h t nhân phát i n theo ki u gi ng như các nhà máy i n hơi nư c
khác. Nư c ư c un nóng, và hơi nư c b c lên t nư c sôi làm quay tuabin và phát i n.
S khác bi t ch y u các lo i nhà máy i n hơi nư c là ngu n sinh nhi t. Trong nhà máy
i n h t nhân, nhi t phát ra t ph n ng dây chuy n t duy trì làm sôi nư c. Trong các nhà
máy khác, ngư i ta t than á, d u l a, ho c khí thiên nhiên un sôi nư c.
- 2
L i nói đ u
Khái ni m nguyên t ã t n t i trong nhi u th k . Nhưng ch g n ây, chúng ta
m i b t u hi u ư c s c m nh kh ng khi p ch a trong kh i lư ng nh xíu y.
Trong nh ng năm ngay trư c và trong Th chi n th hai, nghiên c u h t nhân ch
y u t p trung vào phát tri n các lo i vũ khí phòng th . Sau ó, các nhà khoa h c t p trung
vào các công d ng hòa bình c a công ngh h t nhân. M t công d ng quan tr ng c a năng
lư ng h t nhân là phát i n. Sau nhi u năm nghiên c u, các nhà khoa h c ã ng d ng
thành công công ngh h t nhân cho nhi u m c ích khoa h c, y khoa, và công nghi p
khác.
T p sách m ng này trình bày sơ lư c l ch s nh ng khám phá c a chúng ta v
nguyên t . Chúng ta b t u v i ý tư ng c a các nhà tri t h c Hi L p c i. Sau ó, chúng
ta dõi theo hành trình n v i nh ng nhà khoa h c u tiên khám phá ra hi n tư ng phóng
x . Cu i cùng, chúng ta n v i công d ng hi n i c a nguyên t là m t ngu n năng
lư ng vô giá.
T p sách m ng này cũng trình bày m t biên niên s chi ti t c a l ch s i n h t
nhân và m t b ng thu t ng . Chúng tôi hi v ng b ng thu t ng s gi i thích ư c m t s
khái ni m có th m i m iv im ts c gi và vi c nghiên c u ph n biên niên s s
khuy n khích quý c gi tìm hi u thêm các tài nguyên ư c li t kê trong danh sách tham
kh o. Như th , b n s có th t khám phá nh ng n l c c a nư c Mĩ nh m phát tri n và
làm ch th công ngh y s c m nh này.
- 3
Gi i thi u
B n tính con ngư i v n thích ki m nghi m, quan sát và mơ ư c. L ch s năng
lư ng h t nhân là câu chuy n gi c mơ nhi u th k ã tr thành hi n th c.
Các nhà tri t h c Hi L p c i là nh ng ngư i u tiên phát tri n quan ni m r ng
toàn th v t ch t c u thành t nh ng h t không nhìn th y g i là nguyên t . T nguyên t
phát sinh t ti ng Hi L p, atomos, nghĩa là không th chia c t. Các nhà khoa h c vào th k
18 và 19 ã làm h i sinh khái ni m này d a trên nh ng thí nghi m c a h . Vào năm 1900,
các nhà khoa h c bi t r ng nguyên t ch a nh ng lư ng l n năng lư ng. Nhà v t lí ngư i
Anh Ernest Rutherford ư c g i là cha c a ngành khoa h c h t nhân vì s óng góp c a
ông cho lí thuy t c u trúc nguyên t . Vào năm 1904, ông ã vi t:
N u ngư i ta có th i u khi n t c phân rã c a các nguyên t phóng x , thì
ngư i ta có th thu ư c m t lư ng l n năng lư ng t m t lư ng nh v t ch t.
Albert Einstein ã phát tri n lí thuy t c a ông v m i quan h gi a năng lư ng và
kh i lư ng vào năm sau ó. Bi u th c toán h c y là E = mc2, hay “năng lư ng b ng kh i
lư ng nhân v i bình phương t c ánh sáng”. M t g n 35 năm ngư i ta ch ng minh
cho lí thuy t c a Einstein.
- 4
Khám phá ra s phân h ch
Năm 1934, nhà v t lí Enrico Fermi ã ch o các thí nghi m Rome ch ng t
r ng neutron có kh năng phân tách nhi u lo i nguyên t . Các k t qu khi n c Fermi cũng
l y làm ng c nhiên. Khi ông dùng neutron b n phá uranium, ông không ư c nh ng
nguyên t mà ông trông i. Các nguyên t này nh hơn nhi u so v i uranium.
Enrico Fermi, nhà v t lí ngư i Italy, ã lãnh o m t i khoa h c t o ra
ư c ph n ng h t nhân dây chuy n t duy trì u tiên.
Mùa thu năm 1938, các nhà v t lí ngư i c Otto Hahn và Fritz Strassman ã b n
các neutron phát ra t m t ngu n ch a các nguyên t radium và beryllium vào uranium (s
nguyên t 92). H th t b t ng tìm th y các nguyên t nh hơn, ví d như barium (s
nguyên t 56), trong ch t li u còn l i.
Nh ng nguyên t này có kh i lư ng nguyên t kho ng b ng phân n a c a uranium.
Trong nh ng thí nghi m trư c ó, ch t li u còn l i ch hơi nh hơn uranium m t tí.
Hahn và Strassman ã liên h v i Lise Meitner Copehagen trư c khi ưa ra công
b khám phá c a h . Bà là m t ng nghi p ngư i Áo bu c ph i ch y tr n kh i ch
phát xít c. Bà làm vi c v i Niels Bohr và ngư i cháu trai, Otto R. Fitsch. Meitner và
Fitsch nghĩ barium và các nguyên t nh kia trong ch t li u còn l i thu ư c t uranium
phân rã – hay phân h ch. Tuy nhiên, khi bà c ng s nguyên t c a các s n ph m phân
h ch, thì chúng không b ng kh i lư ng t ng c a uranium. Meitner ã s d ng lí thuy t c a
Einstein ch ng t r ng ph n kh i lư ng b m t ã bi n i thành năng lư ng. Phát ki n này
ã ch ng t s phân h ch t n t i và xác nh n lí thuy t c a Einstein.
- 5
Ph n ng dây chuy n t duy trì đ u tiên
Năm 1939, Bohr n Mĩ. Ông chia s v i Einstein các khám phá Hahn-Strassman-
Meitner. Bohr cũng g p Fermi t i m t h i ngh v v t lí lí thuy t th ô Washington. H
ã th o lu n v kh năng h p d n c a m t ph n ng dây chuy n t duy trì. Trong m t quá
trình như v y, các nguyên t có th phân tách gi i phóng nh ng lư ng l n năng lư ng.
Các nhà khoa h c trên kh p th gi i b t u tin r ng m t ph n ng dây chuy n t
duy trì là có th . Nó s x y ra n u như lư ng uranium ư c mang vào dư i nh ng i u
ki n thích h p. Lư ng uranium c n thi t t o ra m t ph n ng dây chuy n t duy trì
ư c g i là kh i lư ng t i h n.
Fermi và ngư i ph tá c a ông, Leo Szilard, ã xu t m t m u có th cho m t lò
ph n ng uranium dây chuy n vào năm 1941. Mô hình c a h g m uranium t trong m t
n graphite t o thành m t khung ch t li u có th phân h ch ki u hình l p phương.
Leo Szilard
u năm 1942, m t nhóm nhà khoa h c do Fermi ng u ã t p trung t i trư ng
i h c Chicago phát tri n các lí thuy t c a h . Tháng 11 năm 1942, m i th ã s n
sàng cho vi c b t u xây d ng lò ph n ng h t nhân u tiên trên th gi i, cái tr nên n i
ti ng là C t Chicago 1. Cái c t ư c d ng ng trên m nh sân hình qu bí bên dư i sân
v n ng c a trư ng i h c Chicago. Ngoài uranium và graphite, nó còn ch a các thanh
i u khi n b ng cadmium. Cadmium là m t nguyên t kim lo i h p th neutron. Khi có
m t các thanh cadmium trong c t, thì s có ít neutron làm phân h ch các nguyên t
uranium hơn. Vi c này làm ph n ng dây chuy n ch m l i. Khi các thanh b l y ra, thì s
có nhi u neutron s n sàng làm phân tách các nguyên t hơn. Ph n ng dây chuy n s tăng
t c.
Vào bu i sáng ngày 2 tháng 12 năm 1942, các nhà khoa h c ã s n sàng b t u
m t trình di n c a C t Chicago 1. Fermi ra l nh rút các thanh i u khi n ra m i l n m t
vài inch trong vài gi sau ó. Cu i cùng, lúc 3:25 chi u, gi Chicago, ph n ng h t nhân
tr thành t duy trì. Fermi và nhóm c a ông ã chuy n hóa thành công lí thuy t khoa h c
thành th c t i công ngh . Th gi i ã bư c vào k nguyên h t nhân.
- 6
S phát tri n năng lư ng h t nhân
cho các m c đích hòa bình
Lò ph n ng h t nhân u tiên ch m i là cái kh i u. a ph n nghiên c u nguyên
t lúc u t p trung vào vi c phát tri n m t lo i vũ khí hi u qu dùng trong Th chi n th
hai. Công vi c ư c th c hi n dư i cái tên m t danh là D án Manhattan.
Lise Meitner và Otto R. Frisch
Tuy nhiên, m t s nhà khoa h c l i nghiên c u vi c xây d ng các lò tái sinh, lò
ph n ng t o ra ch t li u có kh năng phân h ch trong ph n ng dây chuy n. Do ó, chúng
s t o ra nhi u ch t li u phân h ch là chúng s d ng vào.
Enrico Fermi ng u m t nhóm nhà khoa h c ang kh i ng ph n ng h t
nhân dây chuy n t duy trì u tiên. S ki n l ch s y, x y ra hôm 02/12/1942,
ư c tái hi n trong b c tranh này.
Sau chi n tranh, chính quy n Mĩ khuy n khích phát tri n năng lư ng h t nhân cho
các m c ích dân s hòa bình. Qu c h i Mĩ ã thành l p y ban Năng lư ng Nguyên t
(AEC) vào năm 1946. AEC ã y quy n xây d ng Lò Tái sinh Th c nghi m I t i m t a
- 7
i m Idaho. Lò ph n ng y phát i n l n u tiên t năng lư ng h t nhân vào ngày 20
tháng 12 năm 1951.
M t m c tiêu chính trong nghiên c u h t nhân vào gi a th p niên 1950 là ch ng t
r ng năng lư ng h t nhân có th phát i n dùng cho m c ích thương m i. Nhà máy phát
i n thương m i u tiên ch y b ng năng lư ng h t nhân t t i Shippingport,
Pennsylvania. Nó t t i công su t thi t k tr n v n vào năm 1957. Các lò ph n ng nư c
nh ki u như Shippingport s d ng nư c bình thư ng làm ngu i lõi lò ph n ng trong
ph n ng dây chuy n. Chúng là m u thi t k t t nh t khi y cho nhà máy i n h t nhân.
Ngành công nghi p bí m t ngày càng liên quan nhi u hơn n vi c phát tri n các lò
ph n ng nư c nh sau khi Shippingport i vào ho t ng. Các chương trình năng lư ng
h t nhân ã chuy n s t p trung sang vi c phát tri n các công ngh lò ph n ng khác.
Ngành công nghi p i n h t nhân Mĩ phát tri n nhanh chóng trong th p niên
1960. Các công ti th c d ng ã nhìn th y d ng s n xu t i n này th t kinh t , s ch v m t
môi trư ng, và an toàn. Tuy nhiên, vào th p niên 1970 và 1980, s tăng trư ng b ch m l i.
Nhu c u i n gi m i và các lo ng i v i n h t nhân ngày càng tăng, ví d như s an toàn
lò ph n ng, v n ch t th i, và nh ng xem xét môi trư ng khác.
Tuy nhiên, nư c Mĩ v n có s lư ng nhà máy i n h t nhân ang ho t ng nhi u
g p ôi so v i b t kì nư c nào trên th gi i vào năm 1991, chi m hơn m t ph n tư s
lư ng nhà máy ang ho t ng trên th gi i. Năng lư ng h t nhân cung c p g n 22% i n
năng s n xu t nư c Mĩ.
Lò ph n ng Tái sinh Th c nghi m I phát ra i n năng th p sáng 4 bóng
èn 200W vào hôm 20/12/1951. ây là d u m c kh i u c a n n công
nghi p i n h t nhân.
Cu i năm 1991, 31 qu c gia khác cũng có nhà máy i n h t nhân ang khai thác
thương m i ho c ang xây d ng. ó là m t s chuy n giao công ngh i n h t nhân r ng
kh p và n tư ng.
Trong th p niên 1990, nư c Mĩ ph i i m t trư c m t vài v n năng lư ng
chính, và ã phát tri n m t vài m c tiêu chính cho năng lư ng h t nhân, ó là:
Duy trì s an toàn cao và các chu n thi t k ;
•
Gi m r i ro kinh t ;
•
- 8
Gi m r i ro i u ti t;
•
Thi t l p m t chương trình ch t th i h t nhân m c cao th t hi u qu .
•
M t vài trong s nh ng m c tiêu năng lư ng h t nhân này ã ưa vào Chính sách
Năng lư ng năm 1992, ư c kí thành lu t [nư c Mĩ] vào tháng 10 cùng năm.
Nư c Mĩ ang hành ng t t i nh ng m c tiêu này theo nhi u phương th c
khác nhau. Ch ng h n, B Năng lư ng Mĩ gánh vác m t s m t s n l c chung v i ngành
công nghi p h t nhân phát tri n th h ti p theo c a các nhà máy i n h t nhân. Nh ng
nhà máy ã và ang ư c thi t k ngày m t an toàn hơn và hi u qu hơn. ây cũng là m t
n l c nh m làm cho nhà máy i n h t nhân d xây d ng hơn b ng cách chu n hóa thi t k
và ơn gi n hóa các òi h i b n quy n, mà không gi m b t các tiêu chu n an toàn.
Trong lĩnh v c qu n lí ch t th i, các kĩ sư ang phát tri n nh ng phương pháp m i
và nh ng a i m m i dùng c t tr ch t th i phóng x t o ra b i các nhà máy i n h t
nhân và nh ng quá trình h t nhân khác. M c tiêu c a h là gi ch t th i h t nhân cách xa
môi trư ng s ng và con ngư i trong nh ng kho ng th i gian r t lâu.
Các nhà khoa h c cũng ang nghiên c u năng lư ng nhi t h ch h t nhân. S nhi t
h ch x y ra khi các nguyên t liên k t l i – hay h p nh t – thay vì phân tách ra. Nhi t h ch
là năng lư ng ã c p ngu n cho m t tr i. Trên Trái t, nhiên li u nhi t h ch h a h n nh t
là deuterium, m t d ng hydrogen. Nó có trong nư c và d i dào. Nó cũng t o ra ch t th i
kém phóng x hơn so v i s phân h ch. Tuy nhiên, các nhà khoa h c v n chưa th s n
xu t năng lư ng có ích t s nhi t h ch và v n ang trong ti n trình nghiên c u c a h .
Oak Ridge, Tennessee, các công nhân ang óng gói các ng v ,
chúng ch y u dùng trong khoa h c, công nghi p, và y khoa.
- 9
Nghiên c u trong nh ng lĩnh v c h t nhân khác v n ti p t c trong th p niên 1990.
Công ngh h t nhân gi vai trò quan tr ng trong y khoa, công nghi p, khoa h c, và th c
ph m và nông nghi p, cũng như phát i n. Ví d , các bác sĩ s d ng các ng v phóng x
nh n d ng và nghiên c u các nguyên nhân gây b nh. H còn dùng chúng tăng li u
pháp i u tr y khoa truy n th ng. Trong công nghi p, các ng v phóng x ư c dùng
o nh ng chi u dày vi mô, dò tìm nh ng d thư ng trong v b c kim lo i, và ki m tra các
m i hàn. Các nhà kh o c s d ng kĩ thu t h t nhân xác nh niên i các v t th i ti n
s m t cách chính xác và nh v các khi m khuy t các tư ng ài và nhà c a. B c x h t
nhân ư c dùng b o qu n th c ph m. Nó gi ư c nhi u vitamin hơn so v i óng h p,
ông l nh ho c s y khô.
Nghiên c u h t nhân còn mang l i ích cho nhân lo i theo nhi u ki u. Nhưng ngày
nay, ngành công nghi p h t nhân ph i i m t trư c nh ng v n l n, r t ph c t p. Làm
th nào chúng ta có th gi m t i thi u các r i ro? Tương lai s tùy thu c vào kĩ ngh tiên
ti n, nghiên c u khoa h c, và s tham gia c a m i công dân ã giác ng .
nguon tai.lieu . vn
