Mục lục
Phân hạch là gì?
Phản ứng phân hạch hạt nhân liên quan đến sự phân tách các nguyên tử để giải phóng năng lượng liên kết của hạt nhân nguyên tử. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt và bức xạ, với nhiệt được nhà máy điện hạt nhân sử dụng để đun sôi nước thành hơi nước để quay tuabin và chạy máy phát điện để sản xuất điện. Vì quá trình này sử dụng uranium chứ không phải nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt, nên quá trình phân hạch hạt nhân không tạo ra khí thải carbon.
Quá trình phân tách nguyên tử tại một nhà máy điện liên quan đến việc đặt uranium vào các xi lanh kim loại kín bên trong bình lò phản ứng bằng thép. Các neutron sau đó được bắn vào các nguyên tử uranium, khiến chúng tách ra và giải phóng nhiều neutron hơn va vào các nguyên tử khác, tạo ra phản ứng dây chuyền phân tách nhiều nguyên tử hơn, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và bức xạ. Ví dụ, các nguyên tử uranium-235 tách thành hạt nhân krypton và bari cùng với ba neutron phụ tạo ra phản ứng phân hạch dây chuyền bằng cách va chạm với các nguyên tử uranium-235 khác.
Hợp nhất là gì?
Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình kết hợp các hạt nhân nguyên tử thay vì phân tách chúng (như phân hạch) để tạo ra năng lượng. Quá trình này xảy ra tự nhiên ở trung tâm của các ngôi sao như Mặt trời và không tạo ra chất thải phóng xạ hoặc khí nhà kính lâu dài.
Các nhà máy điện nhiệt hạch hoạt động theo cách tương tự như các nhà máy phân hạch, sử dụng nhiệt sinh ra từ phản ứng nguyên tử để đun nóng nước, tạo ra hơi nước, chạy tua-bin và tạo ra điện, nhưng việc tạo ra các điều kiện cần thiết trong một lò phản ứng nhiệt hạch mà không tiêu thụ là một thách thức. nhiều năng lượng hơn được tạo ra.
Trong khi vẫn đang được phát triển, một lò phản ứng nhiệt hạch (được gọi là tokamak ) sử dụng một loại khí – thường là một đồng vị hydro có thể được chiết xuất từ nước biển gọi là đơteri. Khi chịu tác động của nhiệt độ và áp suất cao, các electron bị đẩy ra khỏi các nguyên tử đơteri để tạo ra plasma. Plasma này là một chất khí bị ion hóa, quá nóng, cần được chứa trong từ trường mạnh vì nó có thể đạt tới nhiệt độ 100.000.000°C trở lên. Những nhiệt độ này gấp mười lần so với nhiệt độ tìm thấy ở lõi Mặt trời, nhưng cần thiết cho quá trình này vì không thể tạo ra áp suất hấp dẫn bên trong Mặt trời.
Các hạt plasma được cung cấp năng lượng va chạm và nóng lên khi các hệ thống gia nhiệt phụ trợ tăng nhiệt độ lên mức cần thiết cho phản ứng tổng hợp (150-300 triệu °C). Những điều kiện này cho phép các hạt năng lượng cao vượt qua lực đẩy điện từ tự nhiên của chúng khi chúng va chạm, hợp nhất chúng lại với nhau và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.
Các lò phản ứng thay thế khác đang được thử nghiệm sử dụng tia laze để đốt nóng và nén nhiên liệu hydro để tạo ra phản ứng tổng hợp.
Sự khác biệt chính là gì?
Mặc dù cả phản ứng tổng hợp và phản ứng phân hạch đều sử dụng năng lượng nguyên tử, nhưng có một số điểm khác biệt chính giữa hai quá trình:
- Phản ứng phân hạch giải phóng năng lượng khi các nguyên tử bị tách ra, trong khi phản ứng tổng hợp giải phóng năng lượng khi các nguyên tử được nối với nhau
- Phản ứng nhiệt hạch toả nhiều năng lượng hơn phản ứng phân hạch
- Hợp hạch không tạo ra chất thải phóng xạ lâu dài có hại như một sản phẩm phụ như phản ứng phân hạch.
Sự hợp nhất cần nhiều năng lượng hơn để hoàn thành so với sự phân hạch. Năng lượng cần thiết cho phản ứng tổng hợp là một rào cản đối với việc sử dụng rộng rãi nó để tạo ra năng lượng
Ví dụ
Phân hạch
Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân sử dụng uranium-235 làm hạt nhân mục tiêu, trong đó một neutron được gia tốc để phân tách nguyên tử thành hai đồng vị nhỏ hơn (được gọi là ‘sản phẩm phân hạch’) cũng như ba neutron khác, giải phóng một lượng lớn năng lượng. Các neutron được giải phóng tạo ra các phản ứng phân hạch tiếp tục quá trình với các nguyên tử uranium-235 khác. Năng lượng được tạo ra được sử dụng để đun nóng nước thành hơi nước, sản xuất điện bằng cách quay tua-bin để cung cấp năng lượng cho máy phát điện.
Dung hợp
Sự hợp nhất xảy ra khi hai đồng vị có khối lượng thấp kết hợp với nhau trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Điều này thường xảy ra với các đồng vị hydro tritium (hydro-3) và deuterium (hydro-2), chúng kết hợp với nhau để tạo ra một đồng vị helium và một neutron bổ sung. Sự hợp nhất các đồng vị này giải phóng năng lượng gấp nhiều lần so với quá trình phân hạch mà không tạo ra các sản phẩm phụ phóng xạ lâu dài.
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa hợp nhất và phân hạch là gì?
Phản ứng tổng hợp là nơi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp và giải phóng năng lượng, trong khi phản ứng phân hạch là quá trình tách hai hạt nhân nguyên tử nặng, không ổn định thành hai hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng – mặc dù ít hơn so với phản ứng tổng hợp.
Phân hạch hay Hợp nhất mạnh hơn?
Phản ứng tổng hợp giải phóng nhiều lần năng lượng do phản ứng phân hạch tạo ra, khiến nó trở thành một quá trình mạnh mẽ hơn nhiều.
3 sự khác biệt giữa phân hạch và hợp nhất là gì?
Ba điểm khác biệt quan trọng giữa phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp bao gồm:
- Phản ứng tổng hợp là sự kết hợp của các hạt nhân nguyên tử và sự phân hạch là sự phân tách của các hạt nhân nguyên tử
- Fusion tạo ra nhiều năng lượng hơn so với năng lượng được tạo ra bởi sự phân hạch
- Hợp hạch, không giống như phản ứng phân hạch, không tạo ra các sản phẩm phụ phóng xạ có hại cần được lưu trữ trong hàng nghìn năm
Tại sao phản ứng tổng hợp hạt nhân không được sử dụng?
Phản ứng tổng hợp hạt nhân hiện không được sử dụng để phát điện vì đây là một quá trình khó tái tạo và kiểm soát, cũng như rất tốn kém. Điều này là do nhiệt độ cần thiết để thắng lực đẩy tĩnh điện mạnh giữa các hạt nhân tích điện dương để cho phép chúng va chạm và hợp nhất. Tuy nhiên, công việc đang diễn ra để vượt qua những thách thức này.
Hợp nhất và phân hạch có giống nhau không?
Cả hai đều là phản ứng hạt nhân tạo ra năng lượng, nhưng phản ứng tổng hợp và phân hạch không giống nhau. Phản ứng tổng hợp liên quan đến việc kết hợp hai hạt nhân nhẹ để tạo thành một hạt nhân lớn hơn và phản ứng phân hạch liên quan đến việc tách một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn.
Hợp nhất hay phân hạch nguy hiểm hơn?
Phản ứng phân hạch hạt nhân nguy hiểm hơn phản ứng tổng hợp nhiệt hạch vì nó tạo ra chất thải phóng xạ cấp vũ khí có hại trong các thanh nhiên liệu cần được cất giữ an toàn trong hàng nghìn năm.
Hợp nhất hay phân hạch an toàn hơn?
Trong khi các biện pháp an toàn có nghĩa là nguy cơ phân hạch giảm đi rất nhiều, thì quá trình hợp hạch vốn đã an toàn hơn.
Hợp hạch hay phân hạch có tạo ra nhiều năng lượng hơn không?
Phản ứng tổng hợp tạo ra nhiều năng lượng hơn phản ứng phân hạch, nhưng đã có những thách thức xung quanh năng lượng tiêu tốn để tạo ra các điều kiện cần thiết cho phản ứng tổng hợp, vì kết quả là nó nhiều hơn lượng năng lượng được trả lại. Tuy nhiên, khi những thách thức này được giải quyết hoàn toàn, phản ứng tổng hợp có khả năng tạo ra lượng năng lượng gấp nhiều lần so với phản ứng phân hạch.
Liệu Fusion hoặc phân hạch xảy ra trong mặt trời?
Là một ngôi sao thuộc dãy chính, Mặt trời tạo ra năng lượng thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân của các hạt nhân hydro thành heli. Phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra ở Mặt trời là kết quả tổng hợp của nhiệt độ cao và áp suất cực lớn trong lõi Mặt trời, nơi đốt cháy 500 triệu tấn hydro mỗi giây.
Hợp nhất hoặc phân hạch có tạo ra chất thải phóng xạ không?
Cả phản ứng tổng hợp và phân hạch đều tạo ra một số mức độ chất thải phóng xạ. Tuy nhiên, các nhà máy điện phân hạch tạo ra các hạt nhân không ổn định, một số hạt nhân có tính phóng xạ trong hàng nghìn năm trong khi phản ứng tổng hợp không tạo ra bất kỳ chất thải hạt nhân lâu dài nào. Phản ứng nhiệt hạch điển hình tạo ra khí trơ heli đồng thời sản xuất và tiêu thụ triti trong nhà máy. Là một chất phát beta, tritium có tính phóng xạ, nhưng nó có chu kỳ bán rã ngắn và chỉ được sử dụng với một lượng rất nhỏ, do đó không gây nguy hiểm nghiêm trọng.
Hợp nhất hoặc phân hạch có cần nhiều năng lượng hơn không?
Do không thể tái tạo loại áp suất cho phép phản ứng tổng hợp xảy ra tự nhiên trong lõi của Mặt trời, nên các nhà máy điện nhiệt hạch thay vào đó cần nhiều nhiệt hơn. Việc tạo ra mức nhiệt cần thiết để cho phép phản ứng tổng hợp diễn ra (150-300 triệu °C) cần nhiều năng lượng hơn quá trình phân hạch. Giảm năng lượng cần thiết cho phản ứng tổng hợp là một trong những thách thức lớn nhất mà ngành công nghiệp hạt nhân phải đối mặt.
Hợp nhất và phân hạch giống nhau như thế nào?
Cả phản ứng tổng hợp và phân hạch đều liên quan đến các phản ứng hạt nhân giải phóng một lượng lớn năng lượng có thể được sử dụng để sản xuất điện. Tuy nhiên, phản ứng phân hạch là sự phân tách các nguyên tử, trong khi phản ứng tổng hợp kết hợp chúng lại với nhau.
Phần kết luận
Hợp nhất và phân hạch đều là các quá trình hạt nhân có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng. Sự phân hạch là nơi một hạt nhân lớn, không ổn định bị tách làm đôi và phản ứng tổng hợp là nơi hai hạt nhân nhỏ hơn được nối với nhau để tạo ra một hạt nhân lớn hơn.
Phản ứng phân hạch dễ đạt được hơn nhiều so với phản ứng tổng hợp mặc dù phản ứng phân hạch tạo ra các sản phẩm phụ phóng xạ lâu dài không được tạo ra bằng phản ứng tổng hợp.
Tuy nhiên, trong khi phản ứng tổng hợp xảy ra tự nhiên trong lõi của Mặt trời, rất khó để tạo ra các điều kiện cần thiết trên Trái đất, nghĩa là nó vẫn chưa được sử dụng để phát điện, mặc dù nó được mô tả là ‘chén thánh của năng lượng sạch.
Xem thêm:
Bảo trì phòng ngừa – Phương pháp nâng cao hiệu suất nhà máy
Tại sao bạn nên đầu tư vào kiểm thử cơ khí?
Dây chuyền sản xuất cho nhà máy và 7 vấn đề phổ biến hiện nay
Cách cải thiện chỉ số OEE trong nhà máy sản xuất
Phần mềm TCI IoT theo dõi sản xuất trong thời gian thực
KIỂM TRA CƠ KHÍ LÀ GÌ?