Năng lượng & môi trường

[Oshin]

Các nguồn năng lượng và môi trường
1.Nhiên liệu hóa thạch (fossil fuels) :

1.1Than đá (Coal)
-[Than bùn (Peat)]
-[Than non (Lignite)]
-[Than than bitum (Bituminous coal)]
-Than cứng hay than anthraxit (Anthracite)

1.2 Dầu và khí thiên nhiên (Oil and natural gas)
[-Dầu thô]
-Dầu hỏa (kerosene, paraffin oil)
-Xăng
-Khí dầu mỏ
-Khí thiên nhiên

1.3 Đá phiến dầu và cát chứa dầu
-Đá phiến dầu (Oil shale)
-Cát chứa dầu ( Tar sand)

2.Năng lượng hạt nhân (nuclear energy) :

2. 1Năng lượng phân hạch hạt nhân (fission)
2.2Năng lượng tổng hợp hạt nhân (fusion)

3.Mặt trời và các nguồn năng lượng khác:

3.1 Năng lượng mặt trời (Solar energy)
-Nhiệt mặt trời
-Pin mặt trời
-Solar Hydrogen

3.2 Năng lượng sinh khối (Biomass energy)
-Năng lượng sinh khối từ các phế phẩm nông lâm nghiệp như rơm rạ, lá cây rụng, bã mía, phân gia súc (sản xuất biogas
-Gỗ, than gỗ (charcoal)
-Ngoài ra người ta còn sản xuất methanol, ethanol từ sinh khối...

3.3 Thủy điện (hydro power, water power, hydroelectricity)
3.4 Địa nhiệt (Geothermal energy)
3.5 Năng lượng gió (Wind energy)
3.6 Năng lượng thủy triều (Tidal energy)
[3.7 Năng lượng từ gradient nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion)]
[3.8(Ocean Waves) Năng lượng từ sóng đại dương.]

Có một điều thú vị là phần lớn năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống trên trái đát này có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (NLMT) !!! Vâng, vòng tuần hoàn nước bắt đầu khi NLMT làm bốc hơi nước từ sông suối và biển cả. Bằng cách đó, năng lượng bức xạ được chuyển thành thế năng. Thế năng của nước lại được chuyển đổi thành động năng khi mưa rơi. Con người khai thác năng lượng từ dòng nước chảy và thác nước để làm thủy điện. Cây cỏ qua quá trình quang hợp, sủ dụng NLMT tạo ra sinh khối cho mình và nguồn thực phẩm cho các sinh vật khác. NLMT được chuyển thành năng lượng hóa học (năng lượng gián tiếp). chứa trong các nhiên liệu hóa thạch....


"Năng lượng không tự nhiên sinh ra, cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác".

[Oshin]

Bài 1 : NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH


1.1Than ðá (Coal)

Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ quá trình trầm tích thực vật trong những đầm lầy cổ cách đây hàng trăm triệu năm. Khi các lớp trầm tích bị chôn vùi, do sự gia tăng nhiệt độ, áp suất, cộng với điều kiện thiếu oxy nên thực vật (thực vật chứa một lượng lớn cellulose, hợp chất chứa C, O, H) chỉ bị phân hủy một phần nào. Dần dần, hydro và oxy tách ra dưới dạng khí, để lại khối chất giàu cacbon là than.

Sự hình thành than là một quá trình lâu dài và phải trải qua hàng chuỗi các bước. Ở từng giai đoạn và tùy thuộc từng điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian v.v..) mà chúng ta có được các dạng than khác nhau theo hàm lượng cacbon tích lũy trong nó.

-Bước đầu tiên là sự tạo nên than bùn (peat), một chất màu hơi nâu, ướt, mềm, xốp. Người ta có thể làm khô nó rồi đốt nhưng cho nhiệt lượng thấp. Than bùn chủ yếu chỉ dùng bón đất trong vườn.

-Sau một triệu năm hay hơn nữa, than bùn chuyển thành dạng than non (lignite), một dạng than mềm và có bề ngoài hơi giống gỗ, màu nâu hay đen nâu. Hàm lượng ẩm cao ( 45%).Than này đốt cho nhiệt lượng thấp nhưng nó dễ khai thác và chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp.

-Phải mất thêm hàng triệu năm nữa để hình thành nên than bitum (than "nhựa đường" : bituminous coal). Đây là dạng than phổ biến nhất, còn được gọi là than mềm (soft coal), mặc dù nó còn cứng hơn lignite. Hàm lượng ẩm khoảng 5-15%. Than bitum chứa nhiều lưu huỳnh (2-3%), tạp chất (nhựa đường, hắc ín...) vì vậy khi đốt thường gây ô nhiễm không khí. Tuy vậy, than bitum vẫn được sử dụng rộng rãi, nhất là làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, vì nó sinh ra nhiệt lượng cao.

-Sau vài triệu năm hay hơn nữa, than bitum mới bắt đầu chuyển thành anthracite hay còn gọi là than cứng. Đây là dạng than được ưa chuộng nhất. Nó cứng, đặc, chứa hàm lượng cacbon cao nhất trong các loại than. Do đó, khi đốt, anthracite cho nhiệt lượng cao nhất. Ngoài ra, vì hàm lượng lưu huỳnh thấp nên than cứng còn là dạng than ít gây ô nhiễm và sạch nhất.

Nhiều loại than khác nhau được tìm thấy ở những khu vực khác nhau trên thế giới chứng tỏ các quá trình hình thành than vẫn đang tiêp tục diễn ra trong tự nhiên. Những đầm lầy có tuổi vài trăm năm chứa các vũng than bùn ngày nay có thể lại là bước khởi đầu cho quá trình hình thành than hàng triệu năm tới trong tương lai ?! Thế nhưng, điều đó không có nghĩa rằng than là nguồn tài nguyên phục hồi được. Bởi vì, chỉ trong vài trăm năm, chúng ta đã tiêu thụ một lượng than mà phải mất hàng triệu năm tự nhiên mới tạo ra được!!!

Phân bố than trên thế giới :

Than là dạng nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng phong phú nhất, được tìm thấy chủ yếu ở Bắc Bán Cầu. Các mỏ than lớn nhất hiện nay nằm ở Mĩ, Nga, Trung Quốc và Ấn Độ. Các mỏ tương đối lớn ở Canada, Đức, Balan, Nam Phi, Úc, Mông Cổ, Brazil...Trữ lượng than ở Mĩ chiếm khoảng 23,6% của cả thế giới.

[Oshin]

Các vấn ðề môi trường liên quan ðến than


Ảnh hưởng của việc khai thác than :

Có hai dạng mỏ than cơ bản là vỉa than lộ thiên trên bề mặt (sâu < 30m) và hầm mỏ than nằm sâu trong lòng đất.

Việc khai thác các vỉa than trên mặt (surface-mining) có những ưu điểm so với khai thác dưới các hầm mỏ (subsurface, underground mining) như ít tốn kém hơn, an toàn hơn cho người thợ mỏ và nói chung, nó cho phép khai thác than triệt để hơn. Tuy nhiên, khai thác trên bề mặt lại gây ra vấn đề môi trường như nó "xóa sổ" hoàn toàn thảm thực vật và lớp đất mặt, làm gia tăng xói mòn đất cũng như làm mất đi nơi trú ngụ của nhiều sinh vật. Hơn nữa, nước thoát ra từ những mỏ này chứa axit và các khoáng độc, gây ô nhiễm nước, ô nhiễm đất.

Việc khai thác than dưới các hầm mỏ sâu trong lòng đất lại khá nguy hiểm, xác suất rủi ro cao. Ở Mĩ, trong suốt thế kỷ 20 đã có hơn 90 000 người thợ mỏ chết vì các tai nạn hầm mỏ, và thường các công nhân hầm mỏ đều có nguy cơ cao về bệnh ung thư và nám phổi (black lung disease ? Phổi của họ phủ đầy bụi than).

Ảnh hưởng của việc đốt than :

Hạn chế lớn nhất của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nói chung và than nói riêng là nó gây ra ô nhiễm không khí do sự phát thải CO2, SO2, NOx... Tính trên một đơn vị nhiệt lượng phát ra thì đốt than thải ra nhiều chất ô nhiễm hơn các nhiên liệu hoá thạch khác (dầu, khí). Chính vì vậy, việc đốt than đã gián tiếp góp phần vào quá trình biến đổi khí hậu làm suy thoái môi trường toàn cầu mà nổi bật là hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axit.

[Hiệu ứng nhà kính: Chúng ta biết rằng, bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn (năng lượng lớn) nên nó dễ dàng xuyên các lớp khí CO2 và tầng ozon để chiếu xuống trái đất. Ngược lại, bức xạ nhiệt từ mặt đất phát vào vũ trụ là bước sóng dài (yếu hơn ), nên nó bị hấp thụ (không xuyên qua được) bởi CO2 và hơi nước trong khí quyển. Cân bằng CO2 được duy trì nhờ sự hấp thụ của thực vật và hòa tan trong nước biển đại dương. Như vậy, với một mức nào đó, lượng CO2 trong khí quyển là cần thiết cho sự ổn định nhiệt trên trái đất cũng như cho quá trình quang hợp của thực vật . Tuy nhiên, ngày nay, con người đã thải CO2 vào khí quyển vượt quá mức cân bằng bình thường của nó. (Chỉ riêng đốt than đá, mỗi năm đã thải vào khí quyển
2,5. (10 mũ 13) tấn CO2.

Điều này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trên trái đất. Người ta ước tính nếu nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên gấp đôi thì nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất sẽ tăng lên 3,6 độ C. Sự nóng lên toàn cầu này sẽ làm tan băng hai cực, dâng mực nước biển, ngập lụt những vùng ven biển. Nó có thể gây ra bão lụt ở một số vùng và hạn hán ở những vùng khác !!! Những sự biến đổi bất thường này của khí hậu vẫn chưa thể lường hết được]

Than, nhất là than bitum, chứa S, N. Khi đốt, chúng thải vào khí quyển các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit...Các oxit này tạo nên ãit tác dụng với hơi nước trong khí quyển làm cho mưa rơi xuống

[Oshin]

Hạn chế ô nhiễm từ ðốt than
(Tài liệu phần này em tổng hợp từ "Môi trường không khí" của tác giả Phạm Ngọc Ðãng và "Environment" )

Làm sạch nhiên liệu đầu vào : Khoảng một nửa lượng lưu huỳnh trong than thường xuất hiện ở dạng pyrite (FeS2), và một nửa còn lại ở dạng S hữu cơ. S hữu cơ thì khó khử loại chứ dạng pyrite vô cơ phần lớn có thể tách khỏi than bằng các phương pháp lý, hóa. Pyrite có tỉ trọng gấp 3,6 lần than nên có thể rửa sạch than để tách FeS2 ra. Làm sạch than bằng phương pháp vật lý này không chỉ có thể tách được S khỏi than mà còn làm tăng chất lượng, tăng năng lượng trên đơn vị trọng lượng than, do đó tăng hiệu quả buồng đốt.

-Sử dụng thiết bị lọc rửa khí : Chúng ta có thể giảm sự phát thải SO2 bằng cách cài đặt thiết bị lọc khí vào ống khói. Trong thiết bị lọc khí dùng vôi, sữa vôi được phun vào luồng khí chứa SO2 và trung hòa nó. S bị hấp thụ tách ra, trở thành bùn sệt canxisulfit hay canxisulfat (thạch cao, có thể tái sử dụng trong xây dựng).

-Đốt than bằng giàn ghi hoá lỏng : (Fluidize-bed Combustion : FBC) Đây là một kỹ thuật với khá nhiều ưu điểm, cho hiệu quả làm sạch khí thải cũng như hiệu quả năng lượng cao. Trong lò hơi FBC này, than được nghiền trộn với bột đá vôi thành chất huyền phù (hoá lỏng) và phun mạnh cùng với không khí vào đáy giàn ghi. SO2 tác dụng với vôi tạo canxisulfat rắn, rơi xuống đáy lò nung và được đem đi. Tỉ lệ tách S có thể đạt cao hơn 90%. Do đốt nóng, các phân tử hoá lỏng sẽ tiếp xúc trực tiếp với ống nồi hơi nên có thể truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt (tốt hơn truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ ở những lò thông thường). Vì thế, hiệu quả truyền nhiệt lò hơi tăng lên nên nhiệt độ lò có thể giảm chỉ bằng 1/2 nhiệt độ ở nồi hơi thông thường (1600 độ xuống còn 800 độ ), nhờ vậy giảm sự hình thành khí NOx
(Nhiệt độ cao làm cho N2 và O2 trong khí quyển kết hợp, tạo ra nitơ oxit).

-Cải tiến lò đốt nhằm giảm thiểu NOx:
Nitơ oxit được hình thành một phần từ sự oxy hoá nitơ có sẵn trong bản thân nhiên liệu và một phần từ sự oxit hóa nitơ trong không khí cháy. Một trong những kỹ thuật cải tiến quá trình đốt để giảm thiểu cả hai nguồn thải NOx trên là kỹ thuật không khí dư thừa thấp. Người ta tính toán khối lượng không khí cho quá trình đốt rất cẩn thận để lượng khí dư là tối thiểu (kỹ thuật này có thể giảm 15-50%lượng NOx thải).

Kỹ thuật thứ hai phân kỳ quá trình đốt. Ban đầu, nhiên liệu cho cháy trong môi trường thiếu không khí, nitơ trong bản thân nhiên liệu cháy, được phóng thích chủ yếu dưới dạng khí nitơ (N2 nhiều hơn NOx). Giai đoạn tiếp theo sẽ cho nhiều không khí hơn để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Phương pháp này giảm được lượng NOx sinh ra từ sự oxit hoá nitơ trong bản thân nhiên liệu nên lượng NOx thải giảm còn khoảng 45-60%.

[Oshin]

Nhiên liệu tổng hợp từ than

Than có thể chế biến thành các dạng nhiên liệu khí (khí hoá than), lỏng (hóa lỏng than) hay dạng rắn (than cốc :coke) với hàm lượng S và tro cặn thấp, tạo nên nhiên liệu đốt sạch, ít ô nhiễm và nhiệt lượng cháy cao hơn than thô ban đầu. Ngoài ra, ở dạng khí và lỏng, nhiên liệu dễ vận chuyển bằng đường ống, lại có thể được sử dụng trong các hệ thống phân phối hay trong các thiết bị thiết kế dùng cho khí thiên nhiên và dầu hỏa.

Không chỉ dùng làm nhiên liệu, sản phẩm của các quá trình chuyển hoá này còn có thể ứng dụng làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Ví dụ như, sản phẩm của quá trình khí hoá than : CO và H2 là nguyên liệu tổng hợp rượu mêtylic, propylic, axit formic..., CO là chất khử oxit sắt trong quá trình luyện gang. Khí cốc và nhựa tách ra từ lò luyện cốc là bán thành phẩm để sản xuất benzen, toluen, dược phẩm, chất màu, thuốc trừ sâu, chất dẻo..

Khí than tổng hợp Lưu ý, đây là dạng nhiên liệu chế biến từ than đá (hóa khí than tạo ra mêtan tổng hợp có nhiệt trị cao ), khác với khí than tự nhiên (lẫn trong mỏ than, thường có mêtan, N, axit cacbonic, H, H2S... Khí than tự nhiên lấp đầy các lỗ hổng hoặc khe nứt trong than, hoặc ở trạng thái hòa tan trong nước dưới đất) và khí thiên nhiên (khí dầu mỏ ).

Khí than đã được sản xuất từ thế kỷ 19, lúc bấy giờ, nó xem như là nguồn nhiên liệu chủ yếu để thắp sáng và sưởi ấm trong gia đình. Công nghiệp khí than khá phát triển ở những nước công nghiệp phát triển, không có mỏ dầu và khí thiên nhiên như Nhật, Đức, Pháp, Balan...

Mặc dù các nhiên liệu tổng hợp là những nguồn năng lượng nhiều triển vọng nhưng chúng vẫn tồn tại những hạn chế nhất định. Đó là : vấn đề môi trường liên quan đến việc khai thác than ( nguồn nguyên liệu để sản xuất chúng), sự thiếu nước ở những vùng khô hạn (quá trình khí hoá than cần rất nhiều nước). Hơn nữa, năng lượng chuyển hoá tổng cộng thấp hơn so với việc đốt than trực tiếp (phải tốn năng lượng cho quá trình tổng hợp) và dĩ nhiên là chi phí của nhiên liệu tổng hợp sẽ cao hơn than đá thô ban đầu.

[Oshin]

1.2 Dầu và khí thiên nhiên (Oil and natural gas)

Dầu và khí thiên nhiên có nguồn gốc từ các trầm tích biển giàu xác bã động thực vật cách đây khoảng 200 triệu năm. Các trầm tích hữu cơ ở điều kiện chôn vùi thiếu oxy, dưới nhiệt độ 50-250 độ C, áp suất ở độ sâu 2-7 km ?! theo thời gian tạo nên hỗn hợp hydrocacbob là dầu và khí (ở dãy nhiệt độ cao hơn và độ sâu sâu hơn dầu).

Các mỏ dầu và khí thường thấy đi đôi với nhau. Do tỷ trọng nhỏ hơn đá, chúng có xu hướng di chuyển lên phía trên qua các lỗ rỗng của đá và tích tụ thành các vũng dưới những lớp đá không thấm. Tầng đá không thấm phía trên và tầng đá thấm bên dưới tạo nên bẫy dầu hoặc khí. Có nhiều dạng bẫy khác nhau trong tự nhiên. Một khi tầng đá phủ bị mũi khoan xuyên thủng thì dầu và khí đi theo lỗ khoan lên mặt đất để được chế biến và phân phối.

Dầu thô (crude oil) là một hỗn hợp lỏng gồm hàng trăm hợp chất hydrocacbon (Từ C5 đến C60). Từ dầu thô, trải qua quá trình lọc dầu , các hợp chất được phân thành các sản phẩm khác nhau, tùy theo điểm sôi của chúng :

-Khí dầu mỏ, xăng lấy ra ở đỉnh tháp chưng, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

-Dầu xăng làm nhiên liệu cho động cơ phản lực, máy bay.

-Dầu hỏa được lấy trong khoảng nhiệt độ từ 250-350 độ C. Chúng được dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel và dùng để cracking. (Do xăng thu được từ quá trình chưng cất ở áp suất thường chỉ là 20% của dầu thô, tiến hành cracking để tạo ra nhiều xăng hơn và chất lượng xăng cao hơn . Cracking là quá trình chuyển hoá hoá học dầu mỏ từ các chất có phân tử lượng cao, phức tạp thành các sản phẩm có phân tử lượng thấp, cấu tạo đơn giản hơn nhờ nhiệt độ và xúc tác.

-Mazut được lấy ra ở đáy tháp chưng với nhiệt độ trên 275 độ C. Mazut chiếm tới 40-50% lượng dầu mỏ đem chưng. Mazut được chế biến tiếp trong tháp chưng chân không để lấy thêm một số sản phẩm.

Quá trình chưng chân không nhằm hạ nhiệt độ sôi của Mazut, tránh được sự phân hủy. Sản phẩm của quá trình là các loại dầu bôi trơn và nhựa đường. Dầu bôi trơn (lubricants) có nhiệt độ sôi 250-350 độ C, là sản phẩm quan trọng thứ hai sau xăng .

-Hắc ín, nhựa đường (asphal) là phần còn lại sau khi chưng, lấy ra ở đáy tháp ở nhiệt độ khoảng 380 độ C, có thể sử dụng trực tiếp hoặc qua chế biến làm nhựa đường, chất lợp.

Dầu còn chứa các hợp chất hoá dầu (petrochemicals) nên ngoài việc cung cấp nhiên liệu cho các động cơ, dầu mỏ còn là nguồn nguyên liệu tạo ra các sản phẩm phục vụ công nghiệp, nông nghiệp và tiêu dùng như sợi tổng hợp, chất dẻo, cao su nhân tạo, chất tẩy rửa, hương liệu, dung môi sơn, v.v...vv..

Khí thiên nhiên chỉ chứa vài hydrocacbon (C1 đến C4), mêtan và một lượng nhỏ hơn các êtan, propan, butan. Propan và butan được tách khỏi khí thiên nhiên và lưu trữ dưới áp suất (nén) trong các thùng dầu ở dạng lỏng gọi là khí dầu mỏ hoá lỏng (liquefied petroleum gas), chủ yếu được dùng làm nhiên liệu để sưởi ấm và nấu nước ở những vùng thôn quê.

Khí thiên nhiên ngày càng phổ biến do nó là một nguồn năng lượng hiệu quả và tương đối sạch. Khí thiên nhiên hầu như không chứa S. Hơn nữa, khi đốt nó thải ít CO2 hơn xăng dầu hay than. Khí thiên nhiên đang được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực năng lượng như đốt trong các hộ gia đình, các trạm phát điện thay thế than, khí nén làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông (xe tải, bus...). So với các xe chạy bằng xăng dầu, xe chạy bằng khí thiên nhiên giảm lượng phát thải đến 80-90% hydrocacbon, 90% CO, 90% các chất độc và hầu như không có muội khói. Nó còn kinh tế vì giá thành cũng chỉ tương đương xăng dầu.

Methanol tổng hợp từ khí thiên nhiên Metanol (CH3OH) có thể được sản xuất từ khí thiên nhiên hay tổng hợp từ than đá, khí sinh học (biogas). Hiện nay, người ta thường dùng khí thiên nhiên để sản xuất metanol.

Metanol đã được chọn làm nhiên liệu cho các xe đua. Nó cháy ở nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn so với xăng và dầu diesel, như vậy nguồn thải hydrocacbon và CO cũng giảm, ít muội khói. Khí hydrocacbon ít sẽ làm giảm các phản ứng quang hoá.

Tuy nhiên, metanol có những hạn chế như : nguồn thải của nó nhiều formaldehyd (HCHO) hơn xăng (khí này làm cay mắt và gây ung thư ). Metanol lỏng tương đối độc, có tính ăn mòn cao nên đòi hỏi thùng chứa phải làm bằng những vật liệu đặc biệt. Thêm vào đó, động cơ chạy bằng metanol sẽ khó khởi động trong đk khí hậu lạnh (do mức độ bay hơi của nó thấp hơn xăng). Nó cháy với ngọn lửa không nhìn thấy (nguy hiểm). Hàm lượng năng lượng của nó chỉ bằng 1/2 xăng, do đó nó chạy được quãng đường ngắn hơn khi so với cùng một thể tích nhiên liệu.

Phân bố dầu và khí thiên nhiên trên thế giới

Trữ lượng khổng lồ đến 63,2% lượng dầu của cả thế giới tập trung ở Vịnh Ba Tư, nhất là Ảrập Saudi (thành viên số 1 của OPEC : Organization of Petroleum Exporting Countries). Các mỏ dầu quan trọng còn lại khác nằm ở vịnhư Venezuela, Mehico, Nga, Libi và Mỹ (Alaska và vịnh Mehico).

Gần 1/2 (49%) trữ lượng khí thiên nhiên của thế giới nằm ở 2 nước Nga và Iran. Các mỏ khí thiên nhiên quan trọng khác nằm ở Các Tiểu Vương Quốc Arap thống nhất, Arap Saudi, Mỹ và Venezuela.

[Oshin]

Các vấn ðề môi trường của dầu mỏ và khí thiên nhiên

Dầu và khí thiên nhiên đều là nhiên liệu hoá thạch, nên cũng giống như than, chúng phát thải CO2 vào không khí, góp phần vào hiệu ứng nhà kính cũng như mưa axit, mặc dù lượng ô nhiễm thấp hơn than. Dầu đốt không sinh ra lượng sulfur oxit đáng kể nhưng lại sinh ra nitơ oxit, chủ yếu từ xăng đốt trong các xe ôtô. Nitơ oxit góp phần gây mưa axit.

Đốt khí thiên nhiên ít gây ô nhiễm hơn dầu và than, đây là dạng nhiên liệu hoá thạch sạch nhất.

Các chất khí thải từ những động cơ xe ôtô còn gây ra các khói quang hóa (photochemical smog), hiện tượng thường xảy ra ở những thành phố lớn, mật độ xe lưu thông cao.

[Không khí bình thường ít có oxy nguyên tử và Ozone (2 dạng hoạt động mạnh của Oxy). Nguyên tử Oxy sinh ra từ phản ứng quang hoá khí NO2 dưới ánh sáng mặt trời :
NO2 + Năng lượng mặt trời ---> NO + [O]
Oxy nguyên tử lại tác dụng với các hydrocacbon sinh ra từ quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch, qua một chuỗi các phản ứng trung gian để lại tạo nên NO2, Ozone và một số chất ô nhiễm thứ cấp như formaldehyd, aldehyd và peroxyacetyl nitrate (PAN : C2H3O5N). Tập hợp các khí trên tạo nên khói quang hóa. Các chất này làm tổn thương nghiêm trọng nhiều loại cây, phá hoại tế bào lá (chủ yếu là diệp lục), cản trở quá trình trao đổi chất ở thực vật. Ở các thành phố lớn, ô nhiễm khói quang hóa giống như lớp sương mù, hạn chế tầm nhìn. Chúng làm cay mắt, đau đầu, mệt mỏi, gây ho và các bệnh khác về phổi].

Một số vấn đề khác liên quan đến quá trình khai thác, vận chuyển dầu là các sự cố như tràn dầu do đắm tàu, rò rỉ giếng khoan.

Ô nhiễm dầu gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường. Dầu hỏa bị oxy hóa rất chậm. Nơi có sự cố dầu và nước thải công nghiệp chứa dầu thì có benzen, toluen rất độc, làm sinh vật chết trực tiếp, polyclorua diphenyl trung chuyển vào cơ thể cá rồi qua người gây ung thư. Những hợp phần nặng của dầu lắng xuống đáy biển hoặc bị sóng đánh dạt vào cửa sông sẽ tác động lâu dài lên hệ sinh thái. Dầu dạt vào bãi biển làm ngưng các hoạt động đánh bắt hải sản, du lịch. Đất bị ô nhiễm dầu có thể trở thành đất chết. Dầu xâm nhập vào làm thay đổi kết cấu, đặc tính cơ lý học của đất. Các hạt keo đất thành "trơ", không còn khả năng hấp phụ trao đổi nữa (giảm khả năng tự làm sạch của đất). Sự tràn dầu thô ngoài biển khơi thì ít nguy hại hơn sự tràn dầu đã qua tinh chế ở gần bờ hoặc các vùng cửa sông (hậu quả lâu dài và thiệt hại nặng nề hơn).

Khắc phục ô nhiễm dầu

Để giảm thiểu ô nhiễm dầu, người ta tìm cách làm giảm các sunfit, mercaptan (dẫn xuất hữu cơ từ H2S, tương tự rượu, S thay thế cho nhóm -OH), dầu, axit, độ kiềm bằng hoá chất và các phương pháp vật lý. Đất ô nhiễm được cày xới để tiếp xúc với không khí cho bay hơi, tăng khả năng tự làm sạch.

Khi nồng độ dầu nhỏ hơn 100 mg/l, người ta có thể dùng biện pháp oxy hoá sinh học bằng vi sinh. Hiện đã biết khoảng 46 loài vi khuẩn (phần lớn ở biển) có khả năng oxy hoá

[Oshin]

1.3 Ðá phiến dầu và cát chứa dầu (Oil shale and Tar sand)


Ðá phiến dầu

Đa số các trầm tích hạt mịn đều có chứa một số hợp chất hữu cơ. Nếu các đá giàu chất hữu cơ không được chôn vùi đủ mức thì người ta vẫn có thể chiết xuất dầu từ các đá này bằng cách đun nóng chúng. Các mỏ đá phiến lớn trên thế giới nằm ở Mỹ, Nga, Trung Quốc và Canada, trữ lượng của chúng tương đương với một nửa trữ lượng dầu của thế giới.

Tuy nhiên, việc khai thác quy mô lớn nguồn tài nguyên này vẫn còn bỏ ngỏ, một phần vì dầu chế biến được từ đá phiến mắc hơn nhiều so với dầu ở các mỏ thông thường. Mặt khác, chế biến dầu từ đá phiến cần một lượng nước lớn và còn phải xử lý đá thải sau khi trích ly dầu.

Cát chứa dầu

Cát chứa dầu là các mỏ cát dưới đất thấm nhựa hắc ín (Tar ?) và dầu. Tar là loại hydrocacbon nặng, sẫm màu (nâu đen), sệt (độ nhớt cao) và ít bay hơi. Với các mỏ sâu dưới lòng đất, người ta phải bơm hơi nước nóng vào giếng để làm tar lỏng ra mới thu được nó. Nếu các mỏ gần mặt đất, ta có thể khai thác trên bề mặt. Dầu lấy từ các mỏ cát này phải trải qua quá trình tinh lọc như dầu thô vậy, phải tách bitum khỏi cát. Rất ít máy lọc dầu được trang bị để xử lý chế biến loại hydrocacbon nặng này.

Các mỏ cát chứa dầu lớn tren thế giới nằm ở Canada (lớn nhất), Venezuela và Liên Xô cũ. Người ta cũng ước đoán trữ lượng cát chứa dầu trên thế giới bằng một nửa trữ lượng dầu, giống như đá phiến dầu vậy.

[Oshin]

Bài 2. NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN (Nuclear Energy)

Năng lượng hạt nhân đã giữ vai trò cơ bản trong sự hình thành trái đất (em cũng không hiểu rõ ?) và trong cuộc sống của chúng ta vì nhờ nó mà mặt trời chói sáng. Việc nắm bí quyết các phản ứng hóa học đã là động lực cho cuộc cách mạng công nghiệp cách đây hơn 250 năm. Còn năng lượng hạt nhân, chỉ đến thế kỷ XX, con người mới điều khiển được nó trong phản ứng phân hạch. Tuy vậy nó cũng đã thậm chí có thể đảo lộn thế giới khi người ta lợi dụng nó chế tạo vũ khí chiến tranh hủy diệt cuộc sống

Về cơ bản, cách thức có được năng lượng hạt nhân (NLHN) khác nhiều so với sự cháy sinh ra năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Cháy là một phản ứng hoá học thônng thường. Ở các phản ứng hóa học thông thường, nguyên tử của một nguyên tố này không bị chuyển thành nguyên tử của nguyên tố khác, cũng như khối lượng của chúng không chuyển thành năng lượng (Định luật BTKL). Năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy và trong các phản ứng hóa học thông thường khác là từ sự thay đổi (phá vỡ hay nối kết) các liên kết hóa học nối những nguyên tử này với nhau. Các liên kết hóa học liên hệ giữa các electron, vì vậy, các phản ứng hoá học thông thường liên quan đến sự sắp xếp các electron.

Trái lại, NLHN liên quan đến những thay đổi trong hạt nhân nguyên tử, sự liên kết hay phá vỡ lực hạt nhân giữa các nuclon (proton, neutron). Lực hạt nhân này rất lớn, hình dung thử, muốn tách một nuclon ra khỏi hạt nhân phải tiêu tốn một năng lượng lớn gấp 1 triệu lần năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử !

Các phản ứng hạt nhân dựa trên sự khai thác thế năng tiềm tàng trong khối lượng các hạt nhân. Có hai phản ứng khác nhau giải phóng ra NLHN : phân hạch và tổng hợp (nhiệt hạch) :

-Phản ứng phân hạch : Hạt nhân nặng bị phá vỡ thành các hạt nhân trung bình.
-Phản ứng nhiệt hạch : Các hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo nên hạt nhân nặng hơn.

Ở cả hai trường hợp trên, tổng khối lượng các sản phẩm sau phản ứng nhỏ hơn tổng khối lượng các chất ban đầu, độ hụt khối được chuyển thành năng lượng theo "phương trình thế kỷ" của Einstein.

Các phản ứng hạt nhân trong các bom hạt nhân sản sinh ra năng lượng gấp hàng trăm đến hàng triệu lần năng lượng các phản ứng hoá học thông thường. Năng lượng này lại được giải phóng cùng một lúc, tạo ra lượng nhiệt khổng lồ tiêu hủy tất cả mọi thứ quanh nó. Khi NLHN ứng dụng để phát điện, phản ứng hạt nhân được khống chế, kiểm soát để tạo ra năng lượng nhỏ hơn dưới dạng nhiệt năng

[Oshin]

2.1 Sự phân hạch hạt nhân (Fission)

Lò phân hạch hạt nhân thông thường (conventional)

Quặng Uranium, nhiên liệu dùng trong các nhà máy điện nguyên tử thông thường là tài nguyên không thể phục hồi, trữ lượng của chúng có hạn, tập trung trong các lớp đá trầm tích . Urani (Uranium) có mặt trong vỏ trái đất với tỷ lệ 4 phần triệu. Hình dung thử, số lượng Urani ấy cho một năng lượng mà vỏ trái đất sẽ tỏa ra nếu nó chứa toàn là than đá ! Tuy nhiên, muốn khai thác một cách kinh tế thì cần những mỏ Urani hàm lượng vài phần nghìn. Nước biển chứa hầu hết các nguyên tố trong thiên nhiên, trong đó có Urani, nhưng chi phí khai thác hiện nay cao gấp 15 lần chi phí khai thác từ quặng mặc dù trữ lượng Urani trong các đại dương lớn gấp hàng nghìn lần trữ lượng của các quặng Urani trên mặt đất).

Các mỏ Uranium quan trọng hiện nay nằm ở Úc (25,7%), châu Phi (24%), và Bắc Mỹ (21,9%). Quặng Uranium chứa 3 đồng vị : U-238 (99,28%), U-235 (0,7%), và U-234 (<0,01%). Nhiên liệu cho các lò phân hạch thông thường chỉ là đồng vị U-235. U-235 lại tỉ lệ quá nhỏ nên quặng phải được tinh lọc sau khi khai thác để gia tăng hàm lượng U-235 lên khoảng 3%. Người ta gọi đây là quá trình "làm giàu" Uranium.

Nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, đường kính khoảng 1 cm, mỗi viên chứa năng lượng tương đương với 1 tấn than ! Chúng được xếp vào các thanh nhiên liệu (fuel rods) bằng zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Các thanh này tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển (control rods).

Trong phản ứng phân hạch, U-235 được bắn phá với nơtron. Khi hạt nhân nguyên tử U-235 hấp thụ một nơtron, nó trở nên bất ổn định và phân rã thành hai nguyên tử nhỏ hơn. Quá trình phân hạch cũng sinh ra 2 đến 3 nơtron mới. Những nơtron này lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử U-235 khác, phát sinh phản ứng dây chuyền từ một hạt nhân đến một phản ứng liên quan đến hàng tỷ tỷ hạt nhân khác.

Phân hạch U-235 giải phóng một nhiệt lượng khổng lồ được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân để biến nước thành hơi chạy máy phát điện. Điện năng được sinh ra là do quá trình phân hạch được kiểm soát (chúng ta nhớ rằng, phản ứng phân hạch không kiểm soát gây nên vụ nổ hạt nhân (trong các bom). Tuy nhiên, thậm chí nếu cơ chế kiểm soát hỏng thì một vụ nổ như bom hạt nhân cũng không thể xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân, bởi vì, hàm lượng U-235 trong bom được làm giàu lên rất cao.

Phản ứng phân hạch có thể bắt đầu hay ngưng lại, tăng lên hay giảm đi tùy theo lượng nhiệt năng người ta muốn tạo ra.

Điện năng được tạo ra như thế nào từ năng lượng hạt nhân ?

Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :

-(1) Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.

-(2) Máy phát điện chạy bằng hơi nước steam gểnator), nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi.

-(3) Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.

-(4) Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.

Phản ứng phân hạch xảy ra trong trung tâm lò phản ứng nơi chứa các bó nhiên liệu. Trên nhiên liệu là những thanh điều khiển làm bằng các hợp kim đặc biệt có khả năng hấp thụ nơtron (Bo, Cd là những chất liệu được ưa dùng). Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).
-Nếu thanh điều khiển nâng lên, nơtron tự do va chạm với thanh nhiên liệu và sự phân hạch xảy ra.
-Nếu thanh điều khiển xuống thấp hoàn toàn, nó hấp thụ nơtron tự do, và sự phân hạch không xảy ra nữa. Bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của thanh điều khiển, người ta có thể tạo nên chính xác lượng phân hạch yêu cầu.

Hệ thống có 3 dòng nước chính :

-Dòng nước thứ nhất làm nóng nước nhờ năng lượng sinh ra từ sự phân hạch. Dòng nước này luân chuyển nước dưới áp suất cao qua tâm lò, nơi nhiệt độ khoảng 293 độ C, trong một hệ kín. Dưới áp suất cao nên nước quá nhiệt này vẫn ở dạng lỏng mà không bốc hơi.

-Từ tâm lò, dòng nước rất nóng này đi qua bộ phận trao đổi nhiệt để truyền nhiệt lượng ấy cho dòng nước thứ hai ở áp suất thấp hơn, làm nước này bốc hơi và quay tuabin để chạy máy phát điện. Sau khi quay tuabin, hơi nước ở dòng thứ hai này đi vào bộ phận ngưng tụ, chuyển lại thành nước lỏng.

-Dòng nước thứ ba cung cấp nước lạnh cho bộ phận ngưng tụ làm lạnh hơi nước ở dòng thứ hai. Khi dòng thứ ba này bị nóng lên, nó di chuyển từ bộ phận ngưng tụ đến tháp làm lạnh, tại đó nó được lạnh đi trước khi trở về bộ phận ngưng tụ.

Trung tâm lò nơi xảy ra phản ứng phân hạch được bao bọc bởi khối thép khổng lồ có dạng như cái bát úp, là một đặc trưng thiết kế an toàn để ngăn ngừa các bức xạ phóng thích ra môi trường. Các bức tường bêtông thép gia cố dày 0,9-1,5 m và được thiết kế để chịu được động đất, gió mạnh, bão hay thậm chí sự va chạm của máy bay.

Kỳ sau : Lò phản ứng tái sinh

[Oshin]

Chất thải phóng xạ (Radioactive wastes)

Chất thải phóng xạ được phân thành hai dạng : mức độ thấp và mức độ cao.

-Chất thải phóng xạ mức thấp (low-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng nhỏ các bức xạ ion hóa. Sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm của các trường đại học, bệnh viện (dụng cụ chiếu xạ trong y khoa), công nghiệp, chất thải phóng xạ mức thấp bao gồm thủy tinh, giấy, quần áo và các vật khác bị nhiễm phóng xạ.

-Chất thải phóng xạ mức cao (high-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng lớn bức xạ ion hoá lúc ban đầu.Chất thải phóng xạ mức cao sinh ra từ phân hạch hạt nhân bao gồm các kim loại phản ứng (thanh nhiên liệu), chất lỏng làm lạnh, và khí trong lò phản ứng.

Chất thải phóng xạ mức cao từ các nhà máy điện nguyên tử và các thiết bị vũ khí hạt nhân là chất thải phóng xạ nguy hiểm nhất mà con người tạo ra.

Các thanh nhiên liệu (chúng hấp thụ nơtron vì vậy tạo nên các đồng vị phóng xạ ) chỉ dùng được khoảng 3 năm, sau đó chúng trở thành chất thải phóng xạ mức cao nhất. Khi đồng vị phóng xạ phân hủy, chúng sinh ra lượng nhiệt đáng kể, khá độc hại cho sinh vật và sự phóng xạ còn duy trì đến hàng ngàn năm. Mức độ độc hại nguy hiểm đòi hỏi chúng phải được quản lý bằng những phương thức đặc biệt. Những nơi lưu trữ an toàn các chất này phải bảo đảm cho hàng ngàn năm, đến khi chúng có thể phân hủy đủ để trở nên an toàn.

Rõ ràng là, việc đổ bỏ an toàn các chất phóng xạ hạt nhân là một trong những vấn đề gay go nhất. các chất phóng xạ mức cao phải được cô lập ở những nơi mà khả năng nó nhiễm ra môi trường là thấp nhất . Vị trí bãi đổ cũng phải ổn định về địa chất và không có hoặc có ít dòng chảy có thể lan truyền chúng.

Những vị trí nào là tốt nhất cho việc chôn giữ lâu dài chất thải độc hại này ? Nhiều nhà khoa học đề nghị chôn lấp chất thải trong những tầng đá ổn định sâu dưới lòng đất. Ý kiến khác là xây "lăng mộ" trên mặt đất ở những nơi xa xôi hẻo lánh cho chúng. tuy nhiên, nếu xây "nhà mồ chất phóng xạ", chúng ta không thể chỉ đơn giản cất giữ chất thải ở đó rồi bỏ quên chúng. Các nhà mồ này phải đủ đảm bảo an toàn cho hàng ngàn năm !

Một khả năng dài hạn khác được lưu ý là cất trữ trong băng Bắc Cực, chôn sâu dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, do việc đổ vào đại dương gây nguy hại tiềm tàng cho môi trường biển nên các hiệp ước quốc tế hiện nay đã cấm.

Phần lớn các chuyên gia ngày nay ủng hộ giải pháp chôn chất thải phóng xạ trong lớp đá ngầm dưới lòng đất. Đây cũng là một vấn đề phức tạp vì gặp phải sự e ngại, phản đối của dân cư xung quanh (ai mà chẳng sợ, chôn ngoài sa mạc huh?, bó tay !).

Chất thải phóng xạ với chu kỳ bán rã tương đối ngắn :
một số chất thải phóng xạ sinh ra trực tiếptừ các phản ứng phân hạch. U-235 có thể phân rã thành những nguyên tử nhỏ hơn, phần lớn chúng có tính phóng xạ. Strontium-90 (chu kỳ bán rã 28 ngày), Cesium- 137 (CKBR 30 năm)...đa số chúng là các chất phóng xạ tương đối ngắn hạn . Trong vòng 300-600 năm, chúng sẽ trở nên an toàn.

Cất giữ an toàn các sản phẩm phân hạch với chu kỳ bán rã tương đối ngắn này là cả một vấn đề, vì sự phân hạch tạo ra lượng lớn các chất này hơn là những chất có tuổi thọ cực dài. Thêm vào đó là vấn đề liên quan đến sức khỏe, do nhiều sản phẩm phân hạch có tuổi thọ tương đối ngắn này có tính chất giống như các chất dinh dưỡng quan trọng, và có khuynh hướng tích tụ trong cơ thể, ở đó chúng tiếp tục phân hủy, gây ra những hiệu ứng nguy hiểm . Ví dụ như, một sản phẩm phân hạch phổ biến Strontium-90, về mặt hoá học tương tự Canxi. Nếu Strontium-90 giải phóng vô ý vào môi trường từ chất thải phóng xạ không được cất giữ thích hợp, nó sẽ đi vào xương và răng của người và động vật, thế chỗ cho Canxi. Tương tự như vậy, Cesium -137 thay thế cho Kali trong cơ thể, Iod-131 tập trung ở tuyến giáp trạng...

[Oshin]

Vấn ðề dỡ bỏ các nhà máy ðiện nguyên tử (Decommissioning Nuclear Power Plant)

Các nhà máy điện nguyên tử chỉ có thể vận hành từ 25-40 năm trước khi các bộ phận quan trọng của nó trở nên giòn vỡ hay bị ăn mòn. Tuy nhiên vào giai đoạn cuối của cuộc đời nó, chúng ta không thể chỉ đơn giản từ bỏ hay phá hủy do nhiều phần của nó đã bị nhiễm phóng xạ.

Thêm một vấn đề phức tạp nữa phải giải quyết ! Người ta đưa ra nhiều chọn lựa. Giải pháp được nhiều chuyên gia chọn là chôn toàn bộ nhà máy bọc trong khối bêtông, có thể lưu giữ hàng ngàn năm. Tuy nhiên, sự rò rỉ ngẫu nhiên có khả năng xảy ra suốt thời gian đó, và chúng ta cũng không thể bảo đảm rằng những thế hệ tương lai sẽ gìn giữ cái "mộ" này.

Một lựa chọn khác là hủy bỏ chúng, tháo dỡ nhà máy lập tức ngay sau khi chúng đóng cửa. Các công nhân tháo dỡ phải mặc quần áo và đeo mặt nạ bảo hộ. Người ta có thể dùng robot để tháo dỡ nhưng cũng nên lưu ý rằng một số phần của nhà máy rất nóng. Khi nhà máy đã tháo dỡ xong, các phần nhỏ của chúng được chở đến bãi lưu trữ vĩnh viễn . Giải pháp này tồn tại những nguy hiểm trong quá trình tháo dỡ, vận chuyển v.v...

Trên toàn thế giới cho đến năm 1995 , có 84 nhà máy hạt nhân đã đóng cửa vĩnh viễn và nhiều nhà máy khác đang gần đến giai đoạn cuối của nó. Có lẽ, chúng ta bước vào thế kỷ 21 với số tiền phải trả cho việc giải quyết đóng cửa các nhà máy cũ còn lớn hơn chi phí để xây dựng nhà máy mới !


Ảnh hưởng của bức xạ hạt nhân

(Con người và các sinh vật khác thường xuyên phải tiếp xúc với bức xạ nền mức độ thấp từ một số nguồn tự nhiên như bức xạ của các tia vũ trụ và các nguyên tố phóng xạ trong lớp vỏ trái đất . Ở đây muốn nói đến ảnh hưởng do bức xạ mức độ cao).

Một trong những tác động nguy hiểm nhất của bức xạ ion hóa là sự thiệt hại mà nó gây ra cho ADN trong nhân tế bào. Thay đổi trong ADN nếu xảy ra trong các tế bào sinh sản thì sự đột biến đó có thể truyền qua thế hệ kế tiếp, gây ra khuyết tật hay các bệnh di truyền . Nếu đột biến xảy ra trong tế bào bình thường, chúng có thể làm thay đổi chức năng của những tế bào này , gây hại cho sức khỏe và tăng cao nguy cơ bệnh ung thư.

Tiếp xúc với dộ phóng xạ cao có thể gây những nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, liên qua đến nhiều bệnh lý như đau khớp xương, suy nhược thần kinh, giảm tuổi thọ, thậm chí tử vong.

Có lẽ, việc lựa chọn hay không nguồn năng lượng phân hạch nguồn hạt nhân cho tương lai là một vấn đề khá đau đầu . Năng lượng phân hạch hạt nhân, một mặt dường như khá ưu việt vì có thể tạo nên một nguồn năng lượng lớn, ít ô nhiễm, không phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính; nhưng mặt khác, nó tồn tại những vấn đề môi trường mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa thể giải quyết triệt để được . Đó là chưa kể đến việc người ta đã lợi dụng nó để chế tạo vũ khí hạt nhân, mà tác động của chúng có thể hủy diệt cuộc sống tươi đẹp của hành tinh này.

[Oshin]

2.2 Sự tổng hợp hạt nhân (Fusion)

Nếu chế ngự được phản ứng tổng họp hạt nhân thì những phản ứng này sẽ mang lại cho con người một nguồn năng lượng khổng lồ gần như vô tận, sạch, không ô nhiễm (nhiên liệu nhiệt hạch dự trữ là các đơtêri hiện hữu vô số trong đại dương. Mỗi lít nước biển chứa 0,03 g đơtêri, có năng lượng tương đương 300 lít xăng).

H(2-1) + H (2-1) ----> nơtron (1-0) + He (3-2)
Phản ứng xảy ra dưới điều kiện 400 triệu độ
[H(2-1) : đồng vị nặng của H]

Ngoài phản ứng xảy ra trong điều kiện 400 triệu độ (giữa hai đồng vị H (2-1) ) còn có phản ứng sau (giữa đồng vị H(2-1) và H(3-1):
H(2-1) + H(3-1) ----> nơtron (1-0) + He (4-2)
Phản ứng xảy ra ở 45 triệu độ

Khó khăn ở chỗ, để có thể kết hợp hai hạt nhân nhẹ, phải cho chúng va vào nhau với một năng lượng rất lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Cần phải có một gia tốc rất mạnh đưa chúng lại gần nhau đủ để các lực hạt nhân (lực hút có tầm rất ngắn) có thể bắt đầu tác dụng và thắng lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu . Điều này dễ thực hiện khi dùng các thiết bị gia tốc hạt nhân và tạo nên một số ít phản ứng. Nhưng sẽ khó khăn hơn nhiều nếu ta muốn đốt cháy cả một khối lượng lớn hạt nhân.

Một phương pháp có thể sử dụng là nung nóng khối lượng ấy lên tới một nhiệt độ sao cho các động năng trung bình của chuyển động các nguyên tử lớn như trong các máy gia tốc. Ngưỡng năng lượng của các phản ứng ấy phải đạt đến hàng trăm triệu độ như phản ứng tổng hợp hạt nhân trên mặt trời và các ngôi sao.

Thực tế, người ta đã thực hiện được phản ứng tổng hợp không kiểm soát- đó chính là việc chế tạo bom hydro (bom khinh khí) mà sức phá hủy của nó còn ghê gớm hơn nhiều so với bom nguyên tử (bom A : atom bomb). Bom A được dùng làm mồi, tạo ra nhiệt độ lớn để cho phản ứng tổng hợp xảy ra và nhân lên đáng kể trong bom H.

Hơn nửa thế kỷ nay, người ta đã đầu tư biết bao công sức, tiền bạc tìm cách chinh phục kiểm soát phản ứng nhiệt hạch để sản xuất điện năng. Các nghiên cứu về nó dù khá tốn kém vẫn đang được tiến hành ở một số nước, nhất là ở Đức, Nhật, Nga, Mỹ. cái đích vẫn còn ở phía trước, tuy nhiên con người cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực hạt nhân này. Ví dụ như máy bẫy từ TOKAMAK hoạt động trên nguyên tắc động cơ "plasma'' (em cũng không rõ về cái máy này) và gần đây, người ta đã nghiên cứu khả năng sử dụng tia laser có công suất lớn để nung nóng một thể tích rất nhỏ của plasma đến nhiệt độ nhiệt hạch.

[Oshin]

Trích từ bài của ngthhuan viết lúc 14:25 ngày 20/01/2003:
--------------------------------------------------------------------------------

Oshin có tài liệu nào về công nghệ làm giàu uranium bằng laze không ?

--------------------------------------------------------------------------------


Bạn thân mến, bạn vào 2 cái link này ðể xem thử về công nghệ làm giàu Uranium bằng Laser (mình search trên Google thôi chứ cũng không có tài liệu gì) :

www.silex.com.au/new/s03_about_silex/s30_1_content.html

www.llnl.gov/str/Hargrove.html

Mình ðã có xem qua, tóm tắt tổng hợp lại một số ý chính cho bạn dễ ðọc nha.


Quặng Uranium chứa 3 đồng vị : U-238 (99,28%), U-235 (0,7%), và U-234 (<0,01%). Nhiên liệu cho các lò phân hạch thông thường chỉ là đồng vị nhẹ U-235. U-235 lại chiếm tỉ lệ quá nhỏ nên quặng phải được tinh lọc sau khi khai thác để gia tăng hàm lượng U-235 lên khoảng 3%. Người ta gọi đây là quá trình "làm giàu" Uranium



1.Làm giàu Uranium bằng LASER là một trong những ứng dụng của công nghệ phân tách các ðồng vị bằng kích thích LASER.(SILEX : Seperation of Isotopes by Laser Excitation hay LIS : Laser Isotope Separation).

Nói thêm : Công nghệ SILEX thýờng ðýợc sử dụng trong việc làm giàu các ðồng vị tự nhiên hiếm của một số nguyên tố. Ứng dụng của SILEX (làm giàu - tức là phân tách các ðồng vị hiếm của một số nguyên tố nhý):

-Trong lĩnh vực hạt nhân : Uranium, Zirconium
-Trong chế tạo chất bán dẫn : Silicon, Carbon
-Trong chẩn ðoán y khoa : Carbon, Oxygen

2.SILEX (hay LIS) là một công nghệ mới (được phát triển từ năm 1975) có nhiều ưu điểm hơn so với các công nghệ dùng để tách đồng vị trước đây (phương pháp ly tâm khí với thiết bị calutron (gas centrifuge-electromagnetic method -phương pháp điện từ ?) và phương pháp khuếch tán khí (gaseous diffusion ?) - đã có từ năm 1944 :

-Công nghệ LIS chỉ dùng 5% lượng điện tiêu thụ so với thiết bị khuếch tán khí.

-Công nghệ LIS chỉ gồm vài giai đoạn, cải thiện và rút ngắn đáng kể quy trình so với hàng trăm đến hàng ngàn công đoạn đòi hỏi bởi các công nghệ cũ.
===>Nhà máy tốn ít mặt bằng hơn, chi phí xây dựng thấp hơn.

-LIS giảm thiểu thất thoát Uranium khoảng 30% so với 2 công nghệ cũ.

-Thay vì sử dụng UF6 (Uranium Hexàluoride-nguyên liệu ban đầu cần thiết đối với các quá trình công nghệ cũ), LIS sử dụng kim loại Uranium ít độc hại hơn.
===>An toàn về môi trường, sức khỏe...hơn.



3. Cơ sở lý thuyết :
Công nghệ LIS dựa trên nguyên tắc rằng : Các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố, tuy tính chất hóa học giống nhau nhưng lại hấp thụ các màu sắc khác nhau của tia sáng LASER. Vì vậy, các đồng vị của hầu hết các nguyên tố có thể được phân tách bằng LASER nếu nó có thể hóa hơi một cách hiệu quả ở dạng nguyên tử (để dễ dàng ion hóa).

Trước tiên, kim loại Uranium được hóa hơi ở thiết bị tách trong một buồng chân không. Sau đó, dòng khí được chiếu sáng bằng LASER đã được điều chỉnh chính xác đến một màu sắc chọn lọc với năng lượng chỉ bị hấp thụ bởi U235. Thế nên chỉ có những nguyên tử U235 bị ion hóa, các đồng vị khác của U không bị ảnh hưởng. Các nguyên tử U235 đã bị ion hóa giờ mang điện tích dương do đó dễ dàng được thu lại trên bản thu tích điện âm trong thiết bị tách.

[Oshin]

Bài 3 Mặt trời và các nguồn năng lượng khác:

3.1.Năng lượng mặt trời (Solar energy)

Năng lượng khổng lồ của mặt trời được sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch trong nhân, ở nhiệt độ lên đến 15 triệu độ :

4 H (1-1) ----> He (4-2) + 2 positron + 2 neutrino + 2 photon gamma

Mỗi giây, mặt trời thiêu hủy khoảng 700 triệu tấn Hydro thành "tro" Heli, biến thành năng lượng và mặt trời nhẹ đi chút ít. Đến nay, phản ứng nhiệt hạch đã tiêu thụ khoảng 50% lượng Hydro trong nhân. Mặt trời đã tồn tại cách đây 4-5 tỉ năm và vì thế, nó sẽ còn tỏa sáng thêm khoảng 5 tỷ năm nữa, trước khi nguyên tử Hydro cuối cùng biến thành năng lượng.

Phần lớn năng lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, chỉ một phần rất nhỏ của nó đến được trái đất, nhưng "lượng nhỏ" đó cũng đã lên đến 1,73.(10 lũy thừa mũ 14) Kw !

Cường độ bức xạ mặt trời (BXMT) thay đổi theo vĩ độ, mùa, giờ trong ngày và độ mây che phủ.

-Vùng vĩ độ thấp, gần xích đạo, nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn vùng vĩ độ cao, gần hai cực.
-BXMT mùa hè nhiều hơn mùa đông.
-BXMT có cường độ cao vào buổi trưa và thấp hơn vào bình minh hay hoàng hôn.
-Mây hấp thu một ít NLMT, vì vậy làm giảm cường độ bức xạ.

Các công nghệ NLMT hiện nay vẫn chưa phổ biến rộng rãi, phần lớn vì chi phí ban đầu cho việc chuyển hóa năng lượng còn cao và hiệu suất thu thập còn thấp. Tuy nhiên, sử dụng NLMT về lâu dài sẽ kinh tế và sự tiên bộ của KHKT đang ngày càng nâng cao hiệu suất thu thập NLMT.

Một nguồn năng lượng lý tưởng, không ô nhiễm, sẵn có khắp mọi nơi và gần như vô tận. Năng lượng mặt trời sẽ ngày càng quan trọng trong tương lai.