Chương 10 Năng lượng hạt nhân

Chương 10:
NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
§1. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick
Tới nay có nhiều phương pháp để thu được nơtrôn:
nguồn Ra – Be
4 9 12 1
+ +
2 4 6 0
He Be C n→
•
α phóng xạ từ Radi va chạm với Be của hỗn hợp
tạo thành phản ứng
9 12
4 6
( ,n) Be C
α
I. Nơtrôn:

Nguồn nơtrôn có độ phóng xạ 10
7
nơtrôn/s
•
Nguồn khác, E
γ
=1,76 MeV
9 8
( ,n)
4 4
Be Be

γ
•
Phản ứng bắn phá các hạt
nhân bia khác nhau bằng các
hạt đạn mang điện như p, d, …
nơtrôn được
tạo ra đơn
năng
•
Prôtôn năng lượng 2 GeV đập vào một bia, các
nơtrôn có cùng năng lượng được bật ra

•
Vai trò của nơtrôn
Phản ứng bắt bức xạ: Nơtrôn bắn vào hạt
nhân bia và bị bắt
1 27 28 28
+ ( )* +
0 13 13 13
n Al Al Al
γ
→ →
Phản ứng phân hạch: Là một loại phản
ứng hết sức đặc biệt, dùng nơtrôn bắn
vào hạt nhân

I. Phản ứng phân hạch
•
1939, các nhà vật lý Đức Hahn và
Strassman

•
Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân
hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng
nơtrôn

I. Phản ứng phân hạch
•
1939, các nhà vật lý Đức Hahn và
Strassman
•
Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân
hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng
nơtrôn
•
Trung bình có từ 2 đến 3 nơtrôn thứ cấp
phát ra 0 đến 10 MeV
•
Các mảnh vỡ nói chung thừa nơtrôn nên
chúng không bền vững và phóng xạ β−
liên tiếp

1 235 236 144 89 1
+ * + + 3
0 92 92 56 36 0
n U U Ba Kr n→ →
144 144 144 144 144

56 57 58 59 60
Ba La Ce Pr Nd
β β β β

− − − −
→ → → →
89 89 89 89

36 37 38 39
Kr Rb S r Y
β β
− − −
→ → →
1 235 236 140 94 1
+ * + + 2
0 92 92 54 38 0
n U U Xe Sr n→ →
Hai mảnh vở phóng xạ β
−
liên tiếp:
(
bền)

140 140 140 140

54 55 57 58
Xe Cs La Ce
β β β
− − −
→ → →
94 94 94

38 39 40
Sr Y Br

β β
− −
→ →
(bền)

•
Năng lượng Q giải phóng từ phản ứng phân
hạch vào khoảng 200 MeV. Năng lượng này
được phân bố như sau:
- Động năng của các mảnh phân hạch≈ 170
MeV
- Động năng của các nơtrôn thứ cấp ≈ 5 MeV
- Năng lượng của tia β− và γ ≈ 15 MeV
-
Năng lượng của trong phân rã β− ≈ 10 MeV
•
Phản ứng tiếp diễn và tự duy trì như thế được
gọi là phản ứng dây chuyền

•
Cơ chế phân hạch:
Nơtrôn
Hạt nhân hấp
thụ một nơtrôn
nhiệt
Nó tạo thành
hạt nhân với
năng lượng kích
thích, nó dao
động mạnh.

Chuyển động này
có thể tạo thành
dạng thắt cổ chai.
Lực Coulomb làm
cho nó duỗi dài ra.
Sự phân hạch xảy
ra.
Hai mảnh tách ra và
các nơtrôn nhanh
văng ra.

§2. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN – NHÀ
MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
I. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Thực hiện được sự phân hạch bằng các
nơtrôn chậm
235
92
U
Trung bình một phản ứng phân hạch tạo ra
khoảng 2,5 nơtrôn thứ cấp
235
92
U
238
92
U
Các nơtrôn bị mất mát không gây ra phân hạch đối với
là: bị
các tạp chất hấp thụ hoặc rò ra khỏi lò

bắt mà không gây ra phân hạch,

•
Tiết diện hiệu dụng đối với 235U tăng khi năng
lượng nơ trôn giảm (đạt tới 550 barn đối với nơtrôn
nhiệt); mặt khác tiết diện bắt nơtrôn của 238U lại
tăng khi năng lượng nơtrôn tăng
chất làm chậm thích hợp là nước nặng
(D
2
O), Graphit, Be và một số hợp chất
hữu cơ
•
Hệ số nhân nơtrôn k = ηpfε là một thông số trong
lò phản ứng hạt nhân. Trong đó η là hệ số tái sản
xuất, là số trung bình nơtrôn thứ cấp sinh ra khi một
nơtrôn chậm bị hạt nhân 235U hấp thụ. Chẳng hạn
đối với 235U: η = 2,11 ; đối với 239Pu: η = 1,94.

- một phần p biến thành nơtrôn chậm
- f được gọi là hệ số sử dụng nôtrôn chậm
- ε là hệ số sử dụng nơtrôn nhanh
Nếu k = 1, sự hoạt động của lò phản ứng được gọi là
tới hạn và đó là điều mong muốn để sản xuất ra năng
lượng đều đặn và ổn định. Các lò phản ứng được
thiết kế để có thể k > 1
Phân loại lò phản ứng hạt nhân:
Theo nhiên liệu, theo chất làm chậm, theo cách phân
bố của nhiên liệu, theo công dụng, …
Các đồng vị 239Pu và 235U là những hạt nhân phân

hạch với nơtrôn nhiệt

II. Nhà máy điện nguyên tử
Bộ phận
ngưng tụ
Chất làm chậm
Máy
phát điện
Tua
bin
hơi
Bơm
Bơm
Bộ phận
trao đổi
nhiệt
Thanh Urani

§3. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠT NHÂN
(NHIỆT HẠCH)
2 3 4 1
1 1 2 0
( - ) , Q = 17,59 MeVH H He n d t+ → +
2 2 3 1
1 1 2 0
( - ) , Q = 3,27 MeVH H He n d d+ → +
2 2 3 1
1 1 1 1
( - ) , Q = 4,03 MeVH H H H d d+ → +
Tokamak

1. PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1 1 2
1 1 1
+ H H H e
υ
+
+ → +
1 2 3
1 1 2
H H He
γ
+ → +
1 4
1 2
4 2 2 2H H e
υ γ
+
→ + + +
Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lòng các
vì sao và trong lòng mặt trời
2. PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN TRONG VŨ TRỤ
Chu trình hiđrô
3 3 4 1
2 2 2 1
2He He He H+ → +

1 12 13
1 6 7
H C N

γ
+ → +
1 14 15
1 7 8
H N O
γ
+ → +
15 15
8 7
O N e
υ
+
→ + +
Chu trình các bon (Chu trình Bethe )
13 13
7 6
+ N C e
υ
+
→ +
1 13 14
1 6 7
H C N
γ
+ → +
1 15 12 4
1 7 6 2
H N C He
+ → +
1 4

1 2
4 2 2 3H He e
υ γ
+
→ + + +

Năng suất tỏa nhiệt
g(J/kgs)
0
T
(x10
6
K)
10 20 30
10
-12
10
-8
10
-4
(C)
(H)
Mặt trời: 2 chu trình tương đương
Chu trình (H) trội
hơn: sao mờ
Chu trình (C) trội
hơn: sao sáng