Nhà máy điện nguyên tử dùng U235 có công suất 600 MW hoạt động liên tục trong 1 năm. Cho biết 1 hạt nhân bị phân hạch toả ra năng lượng trung bình là 200 MeV, hiệu suất nhà máy là 20% a) Tính lượng n...

Cho bài toán: Nhà máy điện nguyên tử dùng U235 công suất 600 MW, hoạt động liên tục 1 năm. Năng lượng trung bình tỏa ra mỗi hạt nhân phân hạch: 200 MeV Hiệu suất nhà máy nguyên tử: 20% Hiệu suất nhà máy dùng dầu: 75% Năng suất toả nhiệt của dầu: \( 3 \times 10^7 \) J/kg --- **a) Tính lượng nhiên liệu U235 cần cung cấp cho nhà máy trong 1 năm** --- **Bước 1:** Tính tổng công suất tiêu thụ (công suất tỏa nhiệt) của nhà máy nguyên tử. Công suất điện là: \( P_{điện} = 600 \, MW = 6 \times 10^8 \, W \) Hiệu suất \( \eta = 20\% = 0.2 \) Công suất tỏa nhiệt (công suất phản ứng hạt nhân sinh ra) là: \[ P_{nhiệt} = \frac{P_{điện}}{\eta} = \frac{6 \times 10^8}{0.2} = 3 \times 10^9 \, W \] --- **Bước 2:** Tính tổng năng lượng tỏa ra trong 1 năm 1 năm có: \[ t = 365 \times 24 \times 3600 = 3.1536 \times 10^7 \, s \] Tổng năng lượng tỏa ra: \[ E = P_{nhiệt} \times t = 3 \times 10^9 \times 3.1536 \times 10^7 = 9.4608 \times 10^{16} \, J \] --- **Bước 3:** Năng lượng tỏa ra từ một hạt nhân phân hạch 200 MeV đổi sang Joule: \[ 1 \, eV = 1.6 \times 10^{-19} J \Rightarrow 200 \, MeV = 200 \times 10^6 \times 1.6 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-11} \, J \] --- **Bước 4:** Số hạt nhân phân hạch cần thiết để tạo ra năng lượng trên \[ N = \frac{E}{E_{phân hạch}} = \frac{9.4608 \times 10^{16}}{3.2 \times 10^{-11}} = 2.9565 \times 10^{27} \, hạt nhân \] --- **Bước 5:** Tính khối lượng U235 cần thiết Số Avogadro \( N_A = 6.02 \times 10^{23} \) hạt nhân/mol Khối lượng mol U235 là 235 g = 0.235 kg/mol Số mol U235 cần: \[ n = \frac{N}{N_A} = \frac{2.9565 \times 10^{27}}{6.02 \times 10^{23}} = 4910 \, mol \] Khối lượng U235 cần: \[ m = n \times 0.235 = 4910 \times 0.235 = 1153.85 \, kg \approx 1154 \, kg \] --- **Kết luận phần a:** Lượng nhiên liệu U235 cần cung cấp cho nhà máy trong 1 năm là khoảng **1154 kg**. --- **b) Tính lượng dầu cần cung cấp cho nhà máy có công suất như trên và hiệu suất 75%. So sánh với lượng urani** --- **Bước 1:** Tính công suất tỏa nhiệt cần thiết để tạo ra công suất điện 600 MW với hiệu suất 75% \[ P_{dầu} = \frac{P_{điện}}{\eta} = \frac{6 \times 10^8}{0.75} = 8 \times 10^8 \, W \] --- **Bước 2:** Tính tổng năng lượng cần trong 1 năm \[ E_{dầu} = P_{dầu} \times t = 8 \times 10^8 \times 3.1536 \times 10^7 = 2.52288 \times 10^{16} \, J \] --- **Bước 3:** Tính khối lượng dầu cần Năng suất tỏa nhiệt của dầu là \( 3 \times 10^7 \, J/kg \) \[ m_{dầu} = \frac{E_{dầu}}{3 \times 10^7} = \frac{2.52288 \times 10^{16}}{3 \times 10^7} = 8.4096 \times 10^{8} \, kg = 840960 \, tấn \] --- **So sánh:** - Khối lượng urani: khoảng 1154 kg ≈ 1.15 tấn - Khối lượng dầu: khoảng 840960 tấn Từ đó thấy lượng dầu cần dùng lớn hơn nhiều lần (khoảng **730000 lần** so với urani). --- **Tóm tắt kết quả:** | Nhiên liệu | Khối lượng cần dùng (1 năm) | Ghi chú | |------------|-----------------------------|---------| | U235 | 1154 kg (1.15 tấn) | Hiệu suất 20% | | Dầu | 840960 tấn | Hiệu suất 75% | --- **Đáp án:** a) Lượng nhiên liệu U235 cần trong 1 năm là khoảng **1154 kg**. b) Lượng dầu cần để cung cấp cho nhà máy công suất 600 MW với hiệu suất 75% là khoảng **840960 tấn**. Lượng dầu này lớn hơn rất nhiều so với lượng urani (khoảng 730000 lần). Điều này cho thấy năng lượng từ phản ứng hạt nhân rất lớn và hiệu quả về mặt nhiên liệu so với dầu.