Máy Phát Điện - Máy Bơm Nước Đầu Nổ

Tổ máy phát gồm Lò phản ứng (reactor) và tuabin hơi và máy phát. Trong lò phản ứng có chứa các thanh nhiên liệu hạt nhân, phản ứng phân hạch sẽ sinh ra nhiệt, nước cho vào lò phản ứng sẽ vừa làm mát (không cho nhiệt độ trong lò tăng lên (cả 1000 độ C) làm nóng chảy các thanh nhiên liệu gây phát ra phóng xạ ra môi trường) và nước này được gia nhiệt lên khoảng 200 độ C (nước tuần hoàn vào lò), lúc đó sẽ sản sinh hơi nước và hơi này dùng chạy tuabin hơi và kéo máy phát điện.

(How Nuclear Power Works) Có thể khi bạn mới nghe hai tiếng “hạt nhân” có thể trong đầu bạn đã lóe lên những hình ảnh trái ngược, có thể là những nhà máy bê tông kiên cố tỏa hơi lên mây hay ghê hơn là một thảm họa và đám mây hình nấm bốc cao lên bầu trời ? [...]

Một số người khen ngợi kỹ thuật mới này nhằm vào giá thành hạ, là loại ít khí thải nhằm thay thế cho các thứ nhiên liệu hóa thạch, cùng lúc này thì những người khác lại đang lo sợ tới những hậu quả tiêu cực từ những chất thải hạt nhân và cùng các tai nạn chẳng hạn như các vụ Three Mile Island (Hoa kỳ ) và Chernobyl (Liên xô). Có nhiều điều bàn cãi về vai trò của điện năng nguyên tử ảnh hưởng tới đời sống con người, nhưng dù sao chúng ta cũng nên tìm hiểu một ít về bề trong các nhà máy điện hạt nhân có những gì ?

Tính tới tháng 7 năm 2008, thế giới chúng ta có tổng cộng 430 nhà máy điện hạt nhân cung cấp tới 15% tổng số điện năng thế giới của năm 2007. Trong số 31 nước có nhà máy điện hạt nhân thì có nhiều nước lệ thuộc nhiều vào lượng điện hạt nhân cung cấp , lấy thí dụ, nước Pháp 77% lượng điện tiêu thụ do điện hạt nhân cung ứng (NEI). Lithuania đứng hạng nhì khoảng 65%. Tại Hoa kỳ, có tới 104 nhà máy điện hạt nhân sản xuất tới 20% lượng điện toàn quốc, trong đó có vài tiểu bang tỷ lệ dùng lại cao hơn các tiểu bang khác.

Ngoài năng lượng thiên tạo khổng lồ từ hai chữ “hạt nhân” vốn sẵn cho nhà máy điện hạt nhân, cơ cấu hoạt động của nhà máy điện hạt nhân cũng khác xa với nhà máy nhiệt điện chạy bằng than đá. Cả hai đều làm nóng nước để tạo nên áp suất cao từ hơi nước và từ đó sẽ khởi động turbine. Cốt lõi khác nhau giữa 2 nhà máy này là từ phương pháp đun nóng nước. Một bên thì cổ lổ xỉ đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, một bên thì lệ thuộc vào phản ứng hạch tâm với sự bắn phá các nguyên tử để tạo nên nhiệt năng . Trong chương này chúng ta thử tìm hiểu tiến trình của phản ứng hạch tâm ra làm sao, chúng ta sẽ xem cái gì xảy ra trong và ngoài nhà máy điện hạt nhân và thử luận bàn về bênh hay chống nhà máy điện hạt nhân.

PHẢN ỨNG HẠCH TÂM (Nuclear Fission)
Từ nhà viết truyện hài cho đến nhà vật lý lý thuyết cứ khi nghĩ đến vai trò hạch nhân , tách đôi nhân của nguyên tử thường cho rằng đây là vài trò hiện đại thay quyền tạo hóa của con người, và con người ta dễ quên rằng thật ra phản ứng hạch nhân xảy ra tự nhiên hàng ngày vậy thôi. URANIUM, lấy ví dụ, liên miên bất tận tự chịu đựng phản ứng hạch nhân với tốc độ rất chậm. Đây là lý do tại sao chúng ta phát hiện các nguyên tố này có phát tán phóng xạ,và đây là lý do tự nhiên cho phản ứng phân hạch mà các nhà máy hạt nhân đang cần.

Uranium là nguyên tố thông dụng trên Đia cầu chúng ta. Nó hiện hữu từ khi hành tinh chúng ta được thành lập. Uranium -238(U-238)có thời gian half life (thời gian cần có cho một nửa số lựơng các nguyên tử mục nát)rất dài có thể tới 4.5 tỷ năm. Đó là lý do nó tồn tại với số lượng lớn. U-238 đạt tới 99% số lượng Uranium trên địa cầu, trong khi đó Uranium 235 (U-235) chỉ có khoảng 0.7% của số còn lại trong tự nhiên thôi.Uranium 234 lại còn hiếm hơn nữa, thành lập từ sự thoái hóa U-238 mà ra. U-238 tiếp tục qua nhiều giai tầng thoái hóa (decay) trong suốt cuộc đời của nó cho đến thời điểm cuối cùng ổn định thành chì (lead), như thế U-234 là một giai tầng trong suốt tiến trình thoái hóa (decay) này của U-238.

U-235 có một thuộc tính đặc biệt vì nó vừa là nguyên liệu cho cả hai nhà máy điện hạt nhân vừa làm bom hạt nhân. U-235 thoái hóa tự nhiên cũng giống U-238 nhưng U-235 chỉ hợp với phản ứng phân hạch :một neutron tự do sẽ bắn vào nhân của U-235 và bị thu hút ngay tạo nên tình trạng bất ổn định và bị chẻ đôi (splited) ra tức thời.
Sác xuất nguyên tử U-235 bắt giữ neutron tự do đang bắn vụt qua rất cao. Sự thật, trong điều kiện các lò phản ứng một neutron khi bị tách ra do phản ứng phân hạch này sẽ tiếp tục gây ra phản ứng dây chuyền ngay tức khắc bằng cách gây ra cả loạt phân hạch liên tục nhau.

Ngay vừa khi các nhân nguyên tố tóm được neutron tự do này nhân này sẽ bị chẻ đôi ra thành hai nguyên tố nhẹ hơn và lại bắn ra hai hay ba neutron tự do khác (tùy thuộc vào cách mà nguyên tố U-235 bị tách ra). NÓi thì chậm nhưng tiến trình thu giữ và bị chẻ đôi này rất nhanh ngoài trí tưởng tượng chúng ta thời gian chỉ vài picoseconds .(1 picosecond= 1/ 10^12
[1 giây chia ra 10^12( lũy thừa 12) lần]
Sự phân rã của một nguyên tử U 235 phóng thích khoảng 200 MeV(triệu elctron volts). Coi bộ không bao nhiêu nhưng với vô số nguyên tử (Atom)Uranium trong 1 pound uranium. Số lượng này thực sự rất lớn khi so sánh 1 pound uranium đã tinh luyện (làm giàu) nó cung cấp một năng lượng đồ sộ tương đương với 1 triệu gallons dầu khí.
Sự tách đôi của một nhân nguyên tủ phóng thích một nhiệt năng khổng lồ cùng tia phóng xạ gamma tia phóng xạ tạo ra từ quang tử (photons)năng lượng cao. Hai nguyên tử mới do sự bằn phá kể trên lại phóng thích ra tia beta (âm điện tử siêu nhanh)cùng tia gamma của chính nó như vừa nói trên.
Năng lượng phóng thích từ phản ứng phân hạch tạo ra hai nguyên tố nhẹ hơn và một số trung hòa tử (neutron) phân ly khối lượng so với nguyên tử U-235 nguyên thủy sẽ ít hơn. Khối lượng bị biến mất này vì nó đã chuyển biến thành năng lượng với phưong trình EINSTEIN:
E= mc^2
E= năng lượng (JOULES)
m= khối lượng nguyên liệu đã mất (KG)
c= tốc độ ánh sáng (299,792,458 M/SEC)[hay gần bằng 300,000,000 mét/giây]
Muốn nhà máy điện hạt nhân hoạt động phải tinh luyện hay làm giàu tới trên 3% U-235 mới hoạt động . Còn so với vũ khí hạt nhân thì lượng U-235 phải làm giàu (enriched) ít nhất 90% mới thực hiện nỗi.

Còn Plutonium thì sao?
Uranium 235 không phải là nguyên liệu duy nhất cho nhà máy điện hạt nhân. Có một nguyên tố khác cho phản ứng phân hạch nữa đó là plutonium 239. Plutonium 239 tạo thành từ sự bắn phá U-238 bằng các trung hòa tử, phản ứng năng gặp trong các lò phản ứng hạt nhân.

3 tình trạng BẤT ĐẠT, ĐẠT, VÀ SIÊU ĐẠT
[subcritical, critical, supercritical]
Khi một nguyên tử U-235 bị tách đôi, có hai hay 3 trung hòa tử (neutron) bị phân ly. Nếu không còn nguyên tử U 235 gần đó, những trung hòa tử tự do này sẽ bay thẳng vào khoảng không tạo thành tia Neutron. Tuy nhiên, nếu còn nhiều U 235 khác xung quanh thì các trung hòa tử này có cơ hội bằn phá (collide). Một hay Hai trung hòa tử sẽ tung vào nguyên tử U 235 kế đó? Câu trả lời tùy thuộc vào tình trạng của lò phản ứng này mà thôi.

TÌNH TRẠNG ĐẠT,(CRITICAL)
Nếu trung bình chúng ta có đích xác 1 trung hòa tử bằn vào nhân của U 235 khác để gây ra phân hạch, chúng ta nói khối lượng uranium này ổn định. Và khối lượng sẽ tồn tại trong nhiệt độ ổn định.

Tình trạng BẤT ĐẠT,(SUB-CRITICAL)
Nếu, trung bình ít hơn 1 trung hòa tử tự do sẽ bắn phá vào U 235 kế tục, và khối lượng sẽ bất ổn định. Sau này, phản ứng phân hạch sẽ chấm dứt .

Tình trạng SIÊU ĐẠT (SUPER CRITICAL)
nếu trung bình nhiều hơn 1 từ những trung hòa tử tự do này bắn vào các nguyên tử U 235 khác tức là tình trạng siêu đạt nó sẽ làm lò phản ứng này bị nóng lên .
Trong thiết kế bom hạt nhân, các kỹ sư rất cần các nguyên liệu SIÊU ĐẠT này ngỏ hầu tất cả các nguyên tố U 235 đều bị bắn phá sạch trong 1 micrsecond (1 phần ngàn giây) . Bạn hãy tưởng tượng các hạt nổ bắp trong túi giấy cùng nổ một lần để tránh tình trạng ghê sợ này.
Tuy thế, trong lò phản ứng điều các bạn muốn hay ngay cả thế giới đều mong muốn tất cả các nguyên tử đều bị chẻ tung ra MỘT LẦN. Nhưng vùng trung tâm của lò phản ứng lại cần tình trạng siêu đạt nhẹ nhàng thôi. Các thanh nhiên liệu điều phối sẽ tạo điều kiện cho các nhân viên điều khiển cách để hấp thụ bớt các trung hòa tử tự do sao cho tình trạng lò phản ứng chỉ ở vào tình trạng ĐẠT (critical) mà thôi.

Làm thế nào để các kỹ sư có thể duy trì tình trạng ĐẠT của uranium?
số lượng của Uranium trong toàn khối nguyên liệu (tỷ lệ làm giàu)đóng vai trò quan trọng trọng cũng như tạo hình cho khối năng lựong này. Nếu hình dạng là tấm nguyên liệu cực mỏng, đa số các trung hòa tử tự do sẽ bay mất vào không gian hơn là bắn vào các nguyên tử U 235 khác. Khối cầu là hình dạng tối ưu và bạn cần 2 pounds (0.9kg) của U 235 để đi tới tình trạng ĐẠT. Nếu với Pu-239 trình trạng ĐẠT chỉ cần tới 10 ounces (283grams) thôi.