PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN

PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN
1. Lịch sử phát minh và các tính chất cơ bản của phản ứng
phân hạch
Năm 1934, Fermi khi nghiên cứu hiện tượng phóng xạ
nhân tạo sinh ra dưới tác dụng của neutron. Khi chiếu
neutron lên bia Uran, hạt nhân Uran bị kích thích phóng xạ
beta, sau khi phóng xạ hạt nhân sẽ có điện tích tăng lên một
đơn vị, nhưng bên cạnh đó ông lại thấy xuất hiện một vài
sản phẩm phóng xạ có số Z nhỏ hơn Uran. Nghiên cứu kỹ
các sản phẩm phóng xạ đó, O.Hahn và Strassmann thấy
rằng chúng ở giữa bảng tuần hoàn.
Sau đó Frish và Meitner giải thích hiện tượng kỳ lạ này với
giả thuyết rằng, hạt nhân Uran khi bắt neutron sẽ bị kích
thích, hạt nhân bị biến dạng phân thành hai mảnh có khối
lượng gần bằng nhau (Z
1
, A
1
); (A, Z
2
).
Z
1
+ Z
2
=Z
u
=92
A
1
+A

2
= A
u
+1
≈
A
u

(3.4.1)
• Các tính chất cơ bản của phản ứng phân hạch.
a) Khi hạt nhân nặng phân hạch thì năng lượng giải
phóng lớn
Đặt Q là năng lượng phân hạch (theo đơm vị khối năng
lượng) ta có:
Q= M
u
– (M
1
+M
2
)
(3.4.2)
Với M
u
là khối lượng của hạt nhân Uran;
M
1
, M
2
là khối lượng của các mảnh.

Khối lượng của hạt nhân được tính bằng:
AmZAZmM
np
ε
−−+= )(

(3.4.3)
Với
ε
là năng lượng liên kết trung bình tính cho một
nuclon. Như vậy ta có:
AAAAQ
TB
)(
2211
εεεεε
−=−+=

(3.4.4)
Với
( )
AAA
TB
/
2211
εεε
+=

Là năng lượng liên kết trung bình của các mảnh tính cho
một nuclon. Vì năng lượng liên kết trung bình của các

mảnh tính cho một nuclon. Vì
TB
ε

đối với các hạt nhân nằm giữa bảng tuần hoàn lắn hơn
ε

của Uran cỡ 0,8MeV, do đó:
MeV2008,02380,8.A=Q
≈×≈
b) Hầu hết năng lượng phân hạch được giải phóng ở
dạng động năng của các mảnh phân hạch
Vì các mảnh phân hạch tạo thành do quán tính phân chia
hạt nhân thành hai phần nhất định phải bay ra hai phía
dưới tác dụng của lực đẩy Coulomb khá lớn, do diện tích
của các mảnh khá lớn.
Giá trị năng lượng Coulomb của hai mảnh nằm cách
nhau một khoảng
δ
là:
δ
2
21
eZZ
V
c
=
,
21
RR

+=
δ

(3.4.5)
R có thể tính theo công thức:
cmArR
133/1
0
10.3,1
−
==

(3.4.6)
Tạm cho rằng: Z
462/92
21
===
ZZ
21
RR =
; A
1
= A
2
= 238/2 = 119
Ta có :

MeVV
c
200

10.6,1.11910.4,1.2
)10.8,4.(46
6
3
13
2102
≈=
−−
−

nghĩa là đúng vào cỡ giá trị năng lượng phân hạch Q.
c) Các mảnh phân hạch được tạo thành phải phóng xạ
β
và có thể phát neutron
Kết luận này là hiển nhiên khi nghiên cứu tỉ số giữa
nowtron và số proton trong các hạt nhân bền khác của
bảng phân hạng tuần hoàn.
Hạt nhân
16
8
O

108
47
Ag

137
56
Ba

238
92
U
(3.4.7)
N/Z 1,0 1,3 1,45 1,6
Từ các số liệu trên ta thấy, các mảnh phân hạch lúc mới
hình thành phải dư thừa nowtron, vì chúng được tạo
thành từ Uran. N/Z=16.Tất nhiên các hạt nhân này phát
xạ
β
, song vì độ dư nơtron rất lớn nên sản phẩm phóng
xạ
β
lại tiếp tục phóng xạ
β
nữa…nghĩa là các mảnh
phân hạch tạo nên một dãy phóng xạ
β
liên tiếp khá dài,
mà thí nghiệm Fermi đã quan sát thấy.
Như vậy, một phần năng lượng phân hạch được giải
phóng dưới dạng năng lượng phân rã
β
β
Q−
−
.
Ngoài ra cần giả thuyết rằng một phần trong số các
nơtron dư có thể trực tiếp phát ra từ mảnh ở dạng các
nơtron phân hạch hoặc nơ tron thứ cấp, các nơ tron này

mang theo một phần năng lượng phân hạch Q
n
.
Tất cả các tính chất phân hạch nêu trên đã được phát
hiện ngay trong những thí nghiệm đầu tiên, thực hiện
năm 1939 ở nhiều phòng thí nghiệm.
2. Lý thuyết cơ bản của hiện tượng phân hạch
• Lý thuyết phân hạch được xây dựng từ năm 1939 bởi:
N.Bohr, Willer và Ja.I.Trenkel. Họ phân tích giả thuyết của
Frish và Meitner về tính không bền của hạt nhân nặng khi
thay đổi hình dạng nhờ mẫu giọt hạt nhân.
a) Năng lượng phân hạch
Năng lượng Q giải phóng khi phân hạch:
f B n
Q Q Q Q≈ + +
Trongđó:
• Q
f
là động năng các mảnh.
• Q
B
là năng lượng biến đổi phóng xạ.
• Q
n
là năng lượng của notron phân hạch (Vì Q
n
<< nên
có thể bỏ qua).
Để tính Q
f

ta giả thiết: trong quá trình phân hạch số
khối A và điện tích Z được bảo toàn:
A
ng
+ A
nh
=A +1
Z
ng
+ Z
nh
= Z
Chú ý: Giả thiết này chỉ đúng trong giai đoạn đầu của quá
trình phân hạch, tức là giai đọan tạo thành các mảnh phân hạch
có năng lượng lớn.
Nếu thỏa mãn giả thuyết nà thì Q≈ Q
f
.
Mà ta có: Q
f
= M
A
– (M
ng
+ M
nh
)
Q
f
= ∆W

ng
+ ∆W
nh
-∆W
A
(∆W
A
là năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân).
Theo công thức bán thực nghiệm Waissacker từ lí thuyết
mẫu giọt :
( ) ( )
2
2 3 2 1 3
W 2 / ,
A
A A Z A A Z A A Z
α β γ ε δ
−
∆ = − − − − ±
Dựa trên tính bất đối xứng ta giả thiết :
3 2
;
3
5 5
3 2
2
;
5 5
ng nh
ng ng

nh nh
ng nh
A A A A
A Z
A Z
Z Z Z Z

= =


= = ⇒


= =


Từ công thức Weissacker, tính năng lượng liên kết cho
∆W
A
; ∆W
ng ;
∆W
nh
, thay vào công thức tính Q
f
ở trên ta sẽ có :
số hạng đầu tiên và số hạng thứ tư triệt tiêu, bỏ qua số hạngthứ 5
(quá bé).
Đặt
2 3

W
m
A
β
=
là năng lượng hiệu ứng mặt ngoài của hạt nhân.
2 1 3
W
c
Z A
γ
−
=
là năng lượng coulomb của hạt nhân.
Từ công thức Q
f
ta thu được :Q
f
= W
m
+ W
c
- (W
m.mảnh
+W
c.mảnh
)
Trongđó :
W
m.mảnh

=W
m.ng
+W
m.nh
=β(3/5A)
2/3
+β (3/5A)
2/3
=1.25W
m
W
c.mảnh
=W
c.nh
+W
c.ng
= γ(3/5Z)
2
(3/5A)
-1/3
+ γ(2/5Z)
2
(2/5A)
-1/3
=0.64W
C
Ta thấy khi phân hạch năng lượng Coulomb giảm đi, thay
vào công thức Q
f
ta có :Q

f
= 0.36W
c
-0.25W
m
Mức độ về độ lớn của năng lượng giải phóng khi phân hạch
ở dạng động năng của các mảnh được xác định bằng sự thay đổi
năng lượng mặt ngoài và năng lượng Coulomb của hạt nhân.
Trong trường hợp của Uran phân hạch ta có thể tính được:
W
m
= 650MeV; W
m.mảnh
=1.25W
m
= 813Mev (3.4.19)
0.36 0.25 343 163 180
f c m
Q W W MeV
= − = − =
W
c
= 950MeV;
W
c.mảnh
=0.64W
c
= 607Mev
Do đó:
Nghĩa là khi Uran phân hạch năng lượng giải phóng được

giải thích bằng độ giảm năng lượng Coulomb W
c
đã vượt quá độ
tăng năng lượng mặt ngoài W
m
là 180 MeV
Người ta cũng tính được năng lượng Q
β

giải phóng trong quá
trình phân rã phóng xạ, nhờ công thức bán thực nghiệm, ta thu
được giải phóng trong quá trình phân rã phóng xạ, nhờ công
thức bán thực nghiệm ta thu được Q
β
≈20MeV,trong đó
Năng lượng dành cho beta (electron): 5MeV
Năng lượng dành cho gamma: 5MeV
Năng lượng dành cho neutrino: 10MeV
200
f
Q Q Q MeV
β
= + ≈
Vậy năng lượng phân hạch:
b. Cơ chế phân hạch
Từ: Q = Q
f
+ Q
β
≈ 200MeV

2 1/3 2/3 2
/ ( ) / / 0.25 / 0.36 0.7
c m
W W Z A A Z A
γ β γ β
−
= = > =
Ta thấy rằng Q
f
>0
nếu:
Thay các giá trị của γ và β vào ta có: Z
2
/A>17 ⇔Q
f
> 0
2 108 2
47
/ ( ) 47 /108 20 17Z A Ag = ≈ >
Ta gọi Z
2
/A là tham số
phân hạch, Q
f
tăng khi Z
2
/A tăng (điều kiện này đúng với hầu hết
các hạt nhân nặng bắt đầu từ Ag)
Như vậy quá trình phân hạch là một quá trình có lợi về mặt
năng lượng đối với tất cả hạt nhân đứng sau Ag.

Kết quả trên là hiển nhiên nếu ta chú ý tới đặc trưng biến đổi
của năng lượng liên kết trung bình tính cho mỗi nucleon theo số
khối A.
Tuy nhiên thực nghiệm không xác nhận kết quả này. Người
ta chỉ phát hiện được sự phân hạch ở các nguyên tố nặng như
Th, Pa, U. Còn đối với các hạt nhân khác thì không có khả năng
phân hạch mặc dù có lợi về mặt năng lượng.
Tuy nhiên cần lưu ý rằng quá trình có lợi về mặt năng lượng
khác với khả năng xảy ra quá trình về mặt năng lượng.
Ví dụ :trong phân rã anpha của hạt nhân nặng thì luôn có lợi
về mặt năng lượng, song vì có rào thế Coulomb ngăn cản nên
quá trình này không có khả năng xảy ra theo quan điểm của vật
lý cổ điển. Phân rã anpha chỉ có thể giải thích theo hiệu ứng
đường ngầm trong cơ học lượng tử.
Chúng ta có thể thấy đặc tính biến đổi năng lượng của hạt
nhân phân hạch cũng giống như trong phân rã anpha.
Bây giờ ta hãy xét quá trình ngược với quá trình phân hạch (xem
rằng năng lượng các mảnh bay ra sau phân hạch trên một
khoảng lớn bằng 0, năng lượng của hạt nhân phân hạch sẽ là Q
f
).
Chúng ta muốn đi từ trạng thái cuối về trạng thái đầu bằng cách
đưa các mảnh lại gần nhau.
W
m
+
W
c
r
0

Q
f
Ta biết độ lớn của năng lượng hạt nhân trong quá trình phân
hạch bằng tổng năng lượng mặt ngoài và năng lượng Coulomb
W
m
+ W
c.

+ Khi các mảnh còn cách xa nhau W
m
+ W
c
=0
+ Khi các mảnh tiếp xúc với nhau, năng lượng mặt ngoài W
m

không thay đổi, còn năng lượng Coulomb tăng đến giá trị:

)/(.
2
ngnhngnhc
RReZZW +=
Trong đó
unh
ZZ 5/2=
;
555/3 ==
ung
ZZ

cmAR
unh
133/113
10.35,6)5/2(10.3,1
−−
==

cmAR
ung
133/113
10.3,7)5/3(10.3,1
−−
==
Từ đó ta có:

MeVRRWWW
nhngccm
214)( ≈+=+
Tức là lớn hơn năng lượng ban đầu của hạt nhân Q
f
≈180MeV.
Mặc dù các số liệu tính toán trên cũng chưa thật chính xác,
nhưng nó chứng tỏ rằng năng lượng của giai đoạn đầu nhất thiết
phải có sự tăng năng lượng.
Chúng ta gải thiết rằng, khi hạt nhân bắt neutron, có bị kích
thích dao động tùy theo năng lượng kích thích sẽ xảy ra một
trong 2 trường hợp:
- Khi năng lượng kích thích nhỏ hạt nhân sẽ dao động từ dạng
hình cầu sang dạng ellipdsoide và ngược lại. Lực đàn hồi kéo

hạt nhân từ dạng ellipdsoide về dạng hình cầu ban đầu chính là
lực căng mặt ngoài của hạt nhân.
- Khi năng lượng kích thích đủ lớn, hạt nhân có thể vượt qua
điểm tới hạn biến dạng đà hồi, sau đó không thể phục hồi hình
dạng ban đầu của hạt nhân nữa. Lự đẩy Coulomb hai đàu làn
cho hạt nhân cứ kéo dài ra mãi đi qua các dạng sau đây: cầu,
ellipdsoide,quả tạ, quả lê, 2 quả cầu.
Lực đẩy Coulomb mạnh đến nỗi lực căng mặt ngòai không
đủ sức tác dụng bù trừ lại nữa, và đến giai đoạn sau (kể từ khi có
hình quả tạ thì lực căng mặt ngoài còn giúp đỡ cho quá trình
phân hạch, làm cho hai quả tạ bị tách ra có thể lấy lại được hình
cầu ổn định hơn.
Nếu ta giả thiết rằng hình dạng ban đầu của hạt nhân biến
dạng thì hình ellipdsoide hình thành là ellipdsoide tròn xoay thì
có thể tính được sự biến đổi năng lượng mặt ngoài và năng
lượng Coulomb. Giả sử ellipsoide tròn xoay có trục lớn a =
R(1+ε) và trục nhỏ
e
R
b
+
=
1
, ε là một tham số bé. Cách chọn
trục như vậy nhằm thỏa mãn tính không nén của chất lỏng hạt
nhân, do thể tích trong quá trình biến dạng không đổi.
32
)3/4(.).3/4( RabV
elip
ππ

==

Diện tích mặt ngoài elip:

]/arcsin)1[(2
2/1
γγγπ
+−=
abS
elip

Với
aba /)(
2/122
−=
γ
, thay a và b vào và khai triển theo ε ta có:

).5/21(4
22
++=
επ
RS
elip

Vì năng lượng mặt ngoài của hạt nhân W’
m
luôn tỷ lệ với
diện tích của nó nên:

) 5/21('
2
++=
ε
mm
WW

W
m
là năng lượng ngoài của hình cầu, do đó năng lượng ngoài
tăng theo ε.
Còn giá trị năng lượng Coulomb khi có dạng ellipsoide có
thể được tìm thấy từ phương trình Poisson, đối với một
ellipsoide tròn xoay có diện tích phân bố đều theo thể tích,
người ta tìm được:

).5,11('
2
ε
−=
cc
WW

W
c
là năng lượng Coulomb của hình cầu. Năng lượng Coulomb
giảm theo ε. So sánh W’
m
và W’
c

ta thấy với giá trị ε bé thì độ
tăng của W’
m
(hệ số 2/5) lớn hơn độ giảm của W’
c
(hệ số 1/5).
Các biểu thức trên chỉ đúng khi ε nhỏ.
Tổng năng lượng mặt ngoài và năng lượng coulomb quyết
định độ lớn của năng lượng phân hạch nó thay đổi theo ε như
sau:
W’
m
+ W’
c
= W
m
+ W
c
+ ε
2
/5(2W
m
– W
c
)
Tính chất biến thiên phụ thuộc vào hiệu 2W
m
– W
c
, đặc biệt là

dấu của hiệu đó.
Với

Uran W
m
= 650 MeV, W
c
= 607 MeV nên: 2W
m
– W
c
> 0 và
W’
m
+ W’
c
khi ε nhỏ, đường cong biến đổi hạt nhân được biểu
diễn trên hình vẽ.
Như vậy, khi có những biến dạng ellipsoid nhỏ thì năng
lượng hạt nhân ban đầu tăng lên có một năng lượng ngưỡng, có
một hàng rào Wf . Hàng rào này là cho quá trình phân hạch
không có khả năng theo quan điểm vật lý cổ điển, nói chính xác
hơn là xác suất nhỏ, ngay cả khi có lợi về mặt năng lượng.
Chiều cao của rào W
f
càng nhỏ nếu 2W
m
– W
c
càng nhỏ, nghĩa

là tỷ số sau đây càng nhỏ, nghĩa là tỉ số sau đây càng nhỏ
2
3/1
2
3/2
2
2
2
Z
A
A
Z
A
W
W
c
m
γ
β
γ
β
==

Nghĩa là tham số phân hạch Z
2
/A càng lớn.
AZ /
2
AZ /
2

Khi = 49 thì
02
=−=
cef
WWW
, phân
hạch của loại hạt nhân này có Z phải cỡ 120, phải xảy ra phân
hạch tự phát và tức thời có giá trị = 49 chỉ là gần đúng,
trong nhiều phép tính khác nhau (nó vào cỡ 45 đến 49).
0
≠
f
W
AZ /
2
Với < 49 thì và phân hạch tự
AZ /
2
AZ /
2
AZ /
2
AZ /
2
phát chỉ có thể xảy ra nhờ hiệu ứng
chui rào thế, giống trường hợp phân rã . Hiện tượng này gọi là
hiện tượng phân hạch tự phát. Xác suất xảy ra phân hạch tự phát
được xác định bởi giá trị của tham số , càng nhỏ
thì xác suất phân hạch tự phát càng nhỏ. Phân hạch tự phát của
Uran với = 36 xảy ra với xác suất rất nhỏ

Muốn cho một hạt nhân với tham số phân hạch < 49
phân hạch được nhanh ta cần phải đưa vào hạt nhân một năng
lượng kích thích phụ W vượt qua rào phân hạch
n
T'
n
T'
nn
T'
+
ε
γ
E
f
W
W > . Năng lượng này có thể đưa vào
hạt nhân bằng cách chiếu hạt nhân bằng bức xạ nào đó. Ví dụ tia
γ, với > W
f
. Đây chính là phương pháp thực nghiệm
để xác định rào phân hạch. Còn đối với neutron thì: W=
> năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân A+1;
là động năng tương đối neutron đối với hạt nhân.
•
fn
W>
ε
Xét hai trường hợp sau:
• : phân hạch có thể xảy ra dưới tác dụng của
neutron nhiệt.

•
fn
W<
ε
n
T'
: trong trường hợp này thì
điều kiện cần thiết để có phân hạch là động năng của
neutron phải thỏa điều kiện:

( )
nfn
n
WTAAT
ε
−>+= 1/
"
nf
W
ε
<
)1( +≈+=
nngnf
TW
εε
1
>
n
E
nf

W
ε
<
Thực nghiệm cho
thấy Uran (238) phân hạch với các neutron có năng lượng
MeV, trong khi Uran (235) phân hạch với neutron nhiệt. Như
vậy rào phân hạch của Uran (238) bằng:
MeV ; còn đối với Uran (235) thì
Sự khác nhau trong quá trình phân hạch của các đồng vị Uran
(238) và Uran (235) chủ yếu do hai nguyên nhân:
•
AZ /
2
Thứ nhất: hạt nhân Uran (235) có chiều cao của rào
phân hạch thấp hơn Uran (238); ( )
• Thứ hai: năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân
Uran (235) lớn hơn so với Uran (238) vì hạt nhân phân hợp
phần Uran (236) là hạt nhân chẵn, trong khi hạt nhân phân
hợp phần Uran (239) là hạt nhân chẵn lẻ, như đã đề cập
trong công thức bán thực nghiệm Weissacker.
• Do đó khi chuyển từ đồng vị Uran (235) thì rào phân hạch
giảm còn năng lượng liên kết neutron thì tăng lên vượt qua
rào phân hạch. Phép tính và thực nghiệm cho thấy rào phân
hạch của Uran (236) cỡ 6MeV và của Uran (239) cỡ 7MeV.
Năng lượng liên kết của neutron trong Uran (235) là
6,5MeV, vượt qua rào phân hạch và εn của Uran (238) là
6MeV nhỏ thua rào phân hạch cỡ 1MeV.
•
AZ /
2

Rào phân hạch phụ thuộc nhiều vào tham số
phân hạch :
•
nf
W
ε
≈
f
Q
AZ /
2
0
=
f
W
Khi = 49 , và
> 170 MeV (3.4.29)
•
AZ /
2
nf
W
ε
>>
AZ /
2
Khi = 36 , ≈
170 MeV
•
f

Q
AZ /
2
f
W
Với các hạt nhân nhẹ ( < 36) rào phân
hạch do đó phân hạch chỉ xảy
ra dưới tác dụng của các hạt nhanh, năng lượng lớn <
170 MeV (hình c). Với các hạt nhân rất nhẹ ( < 17)
thì quá lớn so với ε, quá trình phân hạch không có lợi
về mặt năng lượng (hình d).
Cuối cùng ta nêu lên ở đây những nhận xét sau:
Lý thuyết phân hạch được trình bày đơn giản trên, mô
tả đúng bức tranh chung nhất của hiện tượng phân hạch
trên các hạt nhân nặng, nhất là U, Pa, Th. Nó cho phép giải
thích một loạt các quy luật quan sát thấy trong thực
nghiệm, cũng như tiên đoán nhiều hiện tượng mới. Ví dụ
phân hạch phát, quá được trính phân hạch các hạt nhân
không nặng lắm tác dụng của các hạt nhanh, năng lượng
lớn.
Tuy nhiên, lý thuyết cũng có những thiếu sót cơ bản như
không giả thích được một trong những điểm quan trọng
nhất của hiện tượng phân hạch đó là tính chất bất đối xứng
rõ rệt của các mảnh phân bố theo khối lượng. Hơn nữa,
theo lý thuyết trên đây thì phân hạch thành hai mảnh có
khối lượng bằng nhau phải xảy ra với xác suất lớn, tuy
nhiên trong thực tế lại không phải như vậy.
49
3. Khả năng sử dụng năng lượng
phân hạch

Các neutron thứ phát ra cấp trong
phản ứng phân hạch dẫn đến khả
năng tạo phản ứng dây chuyền.
Giả sử mỗi hạt nhân phân hạch
làm phát ra hai neutron thì trong
trường hợp lí tưởng chúng có thể gây ra phân hạch trên hai hạt
nhân Uran tiếp theo do đó xuất hiện 4 neutron gây phân hạch
trên 4 hạt nhân Uran. Tốc độ của quá trình rất nhanh làm cho
trong một thời gian rất ngắn số phân hạch đạt được giá trị khổng
lồ làm tỏa ra năng lượng hạt nhân gọi là năng lượng nguyên tử
lớn.
Phản ứng phân hạch dây chuyền được Zeldovich và Hairston
nghiên cứu lí thuyết năm 1939. Nếu gọi k là hệ số nhân notron,
thì phản ứng dây chuyền nếu K lớn hơn hoặc bằng 1.
Khi K>1 phản ứng dây chuyền tăng, công suất tăng
Khi K=1 phản ứng dây chuyền không tăng, công suất không
thay đổi
Khi K<1 hệ dưới mức tới hạn .
Sự thất thoát netron do các quá trình cơ bản sau:
- Bay ra khỏi hệ
- Bị Uran bắt nhưng không gây phân chia
- Bị chất làm chậm, các tạp chất, các sản phẩm phân hạch
bắt.
K là hệ số nhân neutron, với
χ
∞
= KK
. Trong đó
χ
là xác suất để

neutron tránh rò rỉ, giá trị của
χ
phụ thuộc vào dạng hình vẽ và
tính chất của thành phản xạ.
∞
K
là hệ số nhân neutron của môi
trường kích thước vô hạn.
4. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của lò phản ứng hạt nhân.
4.1 Cấu tạo của lò phản ứng hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát
phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng
phân hạch tạo ra.
Các yếu tố cấu thành lò phản ứng bao gồm:
1. Nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch.
2. Chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron
sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch
tiếp theo.
3. Chất tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch
hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận bên ngoài.
4. Các thanh điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của
nhiên liệu hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân sử dụng nhiên liệu gì?
Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có
khả năng phân hạch như Uranium hoặc Plutonium.
Uranium tự nhiên chỉ chứa 0,7%
235
U phân hạch, nên chỉ sử
dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng
chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng

làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm than chì.
Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền, nhưng khả năng hấp
thu nơtron lớn, nên không thể sử dụng Uranium tự nhiên làm
nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ.
Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium được làm
giàu trên dưới 4% ở dạng ôxít Uranium. Còn Pu thì thích hợp
làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh.
Chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân là gì?
Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần
phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt.
Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi là chất làm chậm.
Tính chất của chất làm chậm như sau:
a. Hấp thu nơtron hiệu quả.
b. Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao.
Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những
nguyên tố có số nguyên tử nhỏ.
Các loại chất làm chất làm chậm thông thường:
1. Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt,
giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thu nơtron một cách
lãng phí.
2. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt; do không hấp thu
nơtron một cách lãng phí, nên có thể nói đây là chất làm giảm
tốc lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều chế.
3. Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại ít
hấp thu nơtron và giá tương đối rẻ.
Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân là gì?
Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài
được gọi là chất tải nhiệt.
Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; lò nước
nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng

chất tải nhiệt là khí CO
2
hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì sử
dụng chất tải nhiệt là Natri.
Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân là gì?
Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản
ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thu nơtron.
Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là Boron hoặc
Cadmium.
Có những loại lò phản ứng hạt nhân nào?
Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân,
chất làm chậm và chất tải nhiệt.
Dưới đây là một số loại lò phản ứng hạt nhân hiện nay đang
được sử dụng trên thế giới:
- Lò khí.
- Lò nước nặng.
- Lò nước nhẹ.
- Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh.
Ngoài ra, còn có một số loại lò phản ứng hạt nhân khác được
thiết kế, nhưng vẫn chưa được đưa vào sử dụng.
Lò khí
Lò khí là loại lò sử dụng khí làm chất tải nhiệt. Loại lò này chủ
yếu phát triển ở Anh. Chất làm chậm là than chì và nhiên liệu có
thể sử dụng Uranium tự nhiên.
Lúc đầu, loại lò này được dùng để sản xuất Pu (cho mục đích
quân sự) và dùng không khí làm chất tải nhiệt.
Để phát triển loại lò này thành lò phản ứng phát điện, cần phải
nâng nhiệt và áp lực của khí -chất tải nhiệt. Vì không thể sử
dụng được không khí, nên khí CO
2

được dùng làm chất tải nhiệt.
Từ đó đã ra đời loại lò khí kiểu Anh sử dụng trong nhà máy điện
hạt nhân.
Để cạnh tranh được với lò nước nhẹ đang dần trở nên phổ biến,
người ta nâng thêm nhiệt độ và áp lực của khí (chất tải nhiệt).
Tuy nhiên, nhiệt độ của khí CO
2
tăng cao tới mức độ nào đó sẽ
không ổn định và vì thế mà không thể sử dụng được. Người ta
đã phát triển loại lò khí tiên tiến hơn, sử dụng chất tải nhiệt là
Heli, có thể ổn định ngay cả khi nhiệt độ cao, nhưng lại gặp khó
khăn về kỹ thuật và kinh tế nên không thể cạnh tranh được với
lò nước nhẹ.
Tuy vậy, các kinh nghiệm về lò khí vẫn được người ta vận dụng
và việc phát triển lò khí nhiệt độ cao hiện vẫn đang được triển
khai. Lò này sử dụng chất tải nhiệt là Heli, nhằm nâng nhiệt độ
của khí đầu ra của lò lên hơn 750
0
C và nâng cao hiệu suất nhiệt.
Loại lò này cũng đang có kế hoạch sử dụng đa mục đích, như sử
dụng trong công nghiệp hóa học.
Lò nước nặng
Lò nước nặng là lò phản ứng sử dụng nước nặng làm chất làm
chậm. Loại lò này chủ yếu do Canada phát triển. So với nước
nhẹ, nước nặng hấp thu rất ít nơtron, nên có thể sử dụng
Uranium tự nhiên làm nhiên liệu.
Lò nước nhẹ
Lò nước nhẹ là lò phản ứng sử dụng nước nhẹ làm chất làm
chậm và chất tải nhiệt.
Có 2 loại lò nước nhẹ là PWR (Pressurized Water Reactor - Lò

nước áp lực) và BWR (Boiling Water Reactor - Lò nước sôi).
PWR được phát triển cho mục đính quân sự, ví dụ như tạo sức
đẩy cho tàu thuyền mà đặc biệt sử dụng cho tàu ngầm. Chu trình
thứ nhất của lò phản ứng được thiết kế không làm sôi nước, mà
truyền nhiệt sang chu trình thứ hai để tạo hơi nước; do vậy, hơi
làm quay tuabin không bị nhiễm xạ.
BWR ngay từ đầu đã được phát triển cho mục đính hòa bình là
phát điện. Nước được làm sôi trong chu trình thứ nhất của lò
phản ứng và dùng hơi nước đó làm quay tuabin; do vậy, tuabin
bị nhiễm xạ trong khi vận hành. Nhưng do không có chu trình
thứ hai, nên cấu tạo lò đơn giản.