Trong quá trình phân chia hạt nhân, khi một hạt nhân urani hấp thụ một nơtron, hạt nhân mới tạo thành rất không bền và phân chia thành những hạt nhân mảnh vỡ, đồng thời giải phóng năng lượng gấp hàng trăm triệu lần so với phản ứng hoá học thông thường (hình 1):
U235 + nnhiệt đ các hạt nhân mảnh vỡ + một số n + 200 MeV
C + 1/2O2 đ CO + 4, 2 eV
Các nơtron mới tạo thành được làm chậm và tiếp tục tham gia vào quá trình phân chia hạt nhân urani khác.
Các đồng vị Th232 và U238 không tham gia trực tiếp phản ứng chuỗi phân chia hạt nhân, nhưng khi chúng hấp thụ notron sẽ tạo thành hạt nhân phân chia được theo phản ứng sau
Th232 + nnhiệt đ Th233 đPa233đU233
U238 + nnhiệt đ U239 đ Np239đPu239
Đồng vị U233 và Pu239 tham gia phản ứng phân hạch tương tự U 235.
Để thấy rõ khả năng phát năng lượng của nhiên liệu hạt nhân, có thể sử dụng các số liệu so sánh sau:
- Năng lượng tạo thành khi cháy hết 1kg củi tương đương 1kWh điện.
- Năng lượng tạo thành khi cháy hết 1kg than hoặc dầu tương đương 3- 4 kWh điện.
- Năng lượng tạo thành khi “cháy” hết 1kg urani tự nhiên tương đương khoảng 50.000 kWh điện (khoảng 50.000 kg than hoặc dầu).
- Năng lượng tạo thành khi “cháy” hết 1kg plutoni hoặc urani-235 tinh khiết tương đương khoảng 6.000.000 đến 7.000.000 kWh điện.
Những số liệu trên cho thấy tại sao từ khoảng hơn 60 năm qua, con người đã phải chú ý đầu tư nhiều như vậy cho việc sử dụng nguồn tài nguyên năng lượng to lớn này.
Hình 1. Sơ đồ phản ứng chuỗi phân chia hạt nhân
(1- nơtron, 2- hạt nhân U235, 3- các hạt nhân mảnh vỡ)
2. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu hạt nhân
Nguồn thiên nhiên của nhiên liệu hạt nhân là các loại quặng chứa urani và thori. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu hạt nhân là thực hiện liên tiếp nhiều quá trình công nghệ: khai thác mỏ, chế tạo nhiên liệu từ quặng, sử dụng nhiên liệu trong lò phản ứng và xử lý nhiên liệu đã cháy. Chuỗi các quá trình kể trên hợp thành chu trình nhiên liệu (hình 2).
Theo hình 2, chu trình nhiên liệu urani có thể phân thành hai loại: chu trình hở (không có quá trình tái chế nhiên liệu đã cháy) và chu trình kín (có tái chế). Hình 3 cho thấy sự gần nhau trong sơ đồ chế tạo nhiên liệu cho nhu cầu dân sự và quân sự, dẫn tới sự nhậy cảm đặc biệt của chu trình nhiên liệu hạt nhân.
Ngoài những khâu có tác động trực tiếp trên nhiên liệu hạt nhân, chu trình nhiên liệu cũng bao gồm một số công việc có liên quan, nhiều khâu quan trọng về vật liệu hạt nhân như: sản xuất nước nặng, sản xuất zirconi kim loại, sản xuất các ống zircaloy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, quan trắc môi trường và xử lý thải phóng xạ, các dịch vụ cơ khí, vận chuyển....
Nhiều khâu trong chu trình nhiên liệu hạt nhân có thể thực hiện bằng các hợp đồng thuê khoán giữa các công ty ở các nước khác nhau.
3. Dự báo cung cầu urani trên thế giới
Những nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế dựa trên dự báo triển vọng năng lượng toàn cầu của IIASA/ WEC (International Institute for Applied Systems Analysis/World Energy Council) đã đưa ra số liệu về tổng nhu cầu urani của thế giới từ 2000 đến 2050 trong bảng 1.
