LUẬN văn sư PHẠM vật lý sự cần THIẾT của NHÀ máy điện hạt NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

Luận văn tốt nghiệp

Nghành: Sư phạm vật lý

SỰ CẦN THIẾT CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN
HẠT NHÂN

GVHD: Th.S Hoàng Xuân Dinh

SV: Võ Thị Ánh
Lớp: SP Vật Lý K32
MSSV: 1060100

Cần Thơ, 05 – 2009

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Bốn năm đại học sắp trôi qua, trong suốt thời gian
ấy em đã được quý thầy cô Bộ môn Vật lý, Khoa sư phạm,
Trường đại học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy cũng như
hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến
ngày em hoàn thành luận văn. Em xin gởi lời tri ân chân

thành đến thầy cô ở Bộ môn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Xuân Dinh
đã tận tình hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu
trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Bên cạnh đó, em
cũng xin cảm ơn tập thể lớp Sư phạm vật lý K32, các bạn
đã ủng hộ nhiệt tình và cho em những lời cổ vũ động viên
trong những lúc em gặp khó khăn.
Do kiến thức còn hạn chế và đây cũng là một trong
những lần đầu tiên nghiên cứu khoa học, dù có cố gắng
nhưng vẫn không tránh khỏi sai sót. Kính mong thầy cô và
các bạn tham khảo, đóng góp ý kiến để em có thể rút được
kinh nghiệm trong những lần nghiên cứu về sau.
Em xin kính chúc sức khỏe quý thầy cô và các bạn.

Xin chân thành cảm ơn!

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

MỤC LỤC
Trang
Phần I

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1
2 Mục đích của đề tài ........................................................................................2
3 Giả thuyết khoa học .......................................................................................2
4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu .....................................................2
5 Các bước thực hiện đề tài ..............................................................................2
Phần II

NỘI DUNG

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN HẠT NHÂN ................................................4
1.1 Lịch sử phát triển của nghành năng lượng nguyên tử ......................................4
1.2 Nhiên liệu hạt nhân .............................................................................................5
1.2.1 Nguồn gốc urani ......................................................................................5
1.2.2 Chuẩn bị nhiên liệu ..................................................................................6
1.2.3 Xử lý nhiên liệu .......................................................................................8
1.2.4 Sự tái xử lý ...............................................................................................9
1.3 Chất thải hạt nhân ............................................................................................ 10
1.3.1

Phân loại chất thải ............................................................................... 10

1.3.2

Xử lý chất thải ..................................................................................... 10

1.3.3 Bảo quản chất thải ................................................................................ 11
Chương 2: NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN VÀ
VẤN ĐỀ AN TOÀN HẠT NHÂN .................................................... 12
2.1 Lò phản ứng hạt nhân – quả tâm của nhà máy điện nguyên tử ..................... 12

2.1.1 Lịch sử lò phản ứng hạt hạt nhân ............................................................ 12
2.1.2 Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền ................................................. 13
2.1.2.1 Điều kiện tới hạn của phản ứng dây chuyền .................................. 13
2.1.2.2 Thời gian tồn tại của nơtron trong lò ............................................. 16
2.1.2.3 Các nơtron trễ .................................................................................. 17
2.1.3 Nguyên lý điều khiển lò phản ứng hạt nhân .......................................... 19
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

2.1.4 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng .................................................. 20
2.1.5 Các loại lò phản ứng hạt nhân đặc trưng ................................................ 21
2.2 Nhà máy điện hạt nhân .................................................................................... 24
2.2.1 Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân ........................................... 24
2.2.2 Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân ............................................................. 25
2.2.3 Xây dựng, vận hành và bảo dưỡng nhà máy điện hạt nhân ................. 26
2.2.4 Thời gian xây dựng và tháo dỡ một nhà máy điện hạt nhân ................. 27
2.3 Vấn đề an toàn hạt nhân .................................................................................. 28
2.3.1 Mức độ phóng xạ an toàn ........................................................................ 28
2.3.2 Các tiêu chí đánh giá mức độ của tai nạn nguyên tử ............................. 29
2.3.3 Các mức bảo vệ ....................................................................................... 30
Chương 3: TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ
CỦA MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI ......................................... 31

3.1 Tình hình năng lượng nguyên tử thế giới ....................................................... 31
3.1.1 Điện hạt nhân ở Mỹ ................................................................................. 31
3.1.2 Điện hạt nhân ở Pháp .............................................................................. 32
3.1.3 Điện hạt nhân ở Trung Quốc .................................................................. 33
3.1.4 Điện hạt nhân ở Nhật Bản ....................................................................... 34
3.2 Tình hình sản xuất năng lượng nguyên tử ở nước ta ..................................... 36
3.2.1 Khoa học nguyên tử ở Việt Nam từ sau năm 1975 ............................... 36
3.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng nguyên tử ở nước ta ........................... 37
3.2.3 Dự báo nhu cầu tiêu thụ điện, khai thác và sử dụng các nguồn
năng lượng sơ cấp trong nước ................................................................ 38
3.2.4 Triển vọng phát triển của điện hạt nhân ................................................. 40
3.2.5 Những khó khăn, thách thức của điện hạt nhân ..................................... 42
Chương 4: ĐIỆN HẠT NHÂN GIẢI PHÁP NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI ... 45
4.1 Xu hướng cần thiết của điện hạt nhân trên thế giới ....................................... 45
4.2 Những cơ sở hợp lý cho việc phát triển điện hạt nhân .................................. 49
4.3 Điện hạt nhân giải pháp năng lượng của nước ta hiện nay ........................... 54
4.4 Chương trình phát triển nguồn điện ở nước ta .............................................. 57
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

4.4.1 Quy mô, địa điểm xây dựng nhà máy điện hạt nhân ............................. 57
4.4.2 Chuẩn bị cho việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên .............. 60

4.5 Những lợi ích kéo theo của việc phát triển
năng lượng hạt nhân của nước ta .................................................................... 64
Phần III

KẾT LUẬN .................................................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

TÓM TẮT
Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1
Với những phát minh, sáng chế kỳ diệu của các nhà khoa học, nghành năng
lượng nguyên tử đã ra đời phục vụ nhu cầu năng lượng cho xã hội ngày càng
phát triển.
Trình bày hai vấn đề cơ bản của điện hạt nhân là nhiên liệu hạt nhân và
chất thải hạt nhân. Đặc biệt là khâu làm giàu urani là một mắc xích quan trọng
trong quy trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân.
Chương 2
Năng lượng lấy từ phản ứng hạt nhân đã được các nhà khoa học chú ý đến

từ những năm đầu thập niên 50 và đã trãi qua bốn thế hệ lò phản ứng. Phản
ứng dây chuyền là phản ứng đặc trưng trong lò phản ứng hạt nhân, các điều
kiện duy trì phản ứng dây chuyền đảm bảo cho lò phản ứng hoạt động.
Từ lúc bắt đầu thiết kế cho đến khi vận hành hoạt động tới lúc tháo dỡ, nhà
máy điện hạt nhân luôn tuân thủ những quy tắc nghiêm ngặt để đảm bảo an
toàn. Vấn đề an toàn luôn là mối quan tâm hàng đầu khi xây dựng nhà máy.
Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã đưa ra các tiêu chí đánh giá mức độ
tai nạn nguyên tử để kịp thời thông tin rỗng rãi cho dân chúng hiểu về các
mức độ khi có tai nạn xãy ra.
Chương 3
Tìm hiểu tình hình phát triển điện hạt nhân của một số nước trên thế giới.
Theo dự đoán tình hình năng lượng nước ta trong thời gian tới thì việc phát
triển điện hạt nhân ngày càng trở nên cấp bách. Việt Nam với nghành điện hạt
nhân còn non trẻ thì việc phát triển điện hạt nhân vẫn còn nhiều khó khăn
thách thức.
Chương 4
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Sau hai tai nạn nguyên tử nghiêm trọng thì thế giới gần như quay lưng với
điện hạt nhân nhưng trong những năm gần đây điện hạt nhân đã quay trở lại
với sự phát triển ồ ạt. Điện hạt nhân ngày càng chứng minh là nguồn năng

lượng tất yếu giải quyết bài toán năng lượng toàn cầu. Việt Nam đã và đang có
những bước khởi đầu chuẩn bị cho việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu
tiên vào năm 2014. Hy vọng trong một tương lai không xa nước ta sẽ đuổi kịp
công nghệ với các nước trên thế giới.

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Phần I

MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Bất cứ một quốc gia nào cũng cần có điện. Điện là một dạng năng lượng dễ
chuyển đổi nhất và được sử dụng nhiều nhất. Điện là nguồn sống, là năng lượng của
nền kinh tế, là niềm vui trong cuộc sống văn minh hôm nay.
Tính tất cả các nguồn điện (thủy điện, nhiệt điện bao gồm than, dầu và khí) đã vận
hành, đang xây dựng và sẽ xây dựng cho thập kỉ tới nước ta vẫn còn thiếu điện tới
khoảng 230 tỷ kWh (phương án thấp), 255 tỷ kWh (phương án vừa) và 300 tỷ kWh
(phương án cao), tức là vẫn bị cúp điện và phải tính thêm phương án nhập khẩu.
Nhập khẩu điện, giống như vay tiền, chúng ta sẽ bị phụ thuộc. Chúng ta thiếu điện
không những cho sự hoạt động của nền kinh tế mà còn thiếu điện cho sinh hoạt vì áp
lực đô thị hóa ngày càng lớn và tỷ lệ dân số dùng điện ngày càng cao. Trong khi

nguồn nguyên liệu hoá thạch, dầu thô, than đá, khí đốt... ngày càng khan hiếm, giá
cả ngày càng tăng buộc nhiều Chính phủ tìm đến nguồn năng lượng hạt nhân thay
thế cho các nguồn nguyên liệu khác.
Mặt khác, nguồn điện hoá thạch đã được khẳng định là đã và đang phát ra một
lượng khí thải khổng lồ vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính làm nóng dần hành
tinh, với những hệ quả rất nguy hại đến cuộc sống của loài người (đặc biệt Việt Nam
sẽ là một trong những điểm bị ảnh hưởng tồi tệ nhất của hiệu ứng nhà kính). Cũng
giống như năng lượng từ gió, nước và Mặt trời, năng lượng nguyên tử có thể tạo ra
điện năng mà không thải CO2 hay các loại khí gây ra hiệu ứng nhà kính khác. Sự
khác biệt lớn nhất là năng lượng nguyên tử là một sự lựa chọn duy nhất đã được
chứng minh có khả năng cung cấp một lượng điện sạch khổng lồ trên phạm vi toàn
cầu. Năng lượng nguyên tử là năng lượng phát sinh do sự phân hạch của các hạt
nhân nguyên tử, là món quà quý giá mà thiên nhiên tặng cho con người.
Chiến lược của Việt Nam đã phân tích một cách khoa học lý do cần có nhà máy
điện hạt nhân: giải quyết bài toán về an ninh năng lượng, gìn giữ nguồn tài nguyên
thiên nhiên cho thế hệ mai sau và tăng cường tiềm lực khoa học và công nghệ của
đất nước.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

1

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Đam mê với lĩnh vực cung cấp năng lượng nhất là nghành vật lý năng lượng cao,
trước những thành tựu mà điện hạt nhân mang lại cho loài người cũng như thấy rõ
sự cần thiết, tầm quan trọng của điện hạt nhân đối với sự phát triển kinh tế của đất
nước. Đó cũng là lý do tôi chọn đề tài: “Sự cần thiết của nhà máy điện hạt nhân”.

2 Mục đích của đề tài
Tìm hiểu tổng quan về điện hạt nhân, về nhà máy điện nguyên tử và nhu
cầu phát triển điện hạt nhân trên thế giới và ở Việt Nam. Từ đó nêu lên điện
hạt nhân là hết sức cần thiết ở nước ta và thế giới, đặc biệt là nước ta đang gấp
rút cho việc chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên.
3 Giả thuyết khoa học
Nếu như nắm vững kiến thức về hạt nhân, qua đó tìm hiểu ứng dụng những
kỹ thuật trong việc chế tạo nhà máy điện hạt nhân. Tìm hiểu về tình hình năng
lượng toàn cầu, đặc biệt là tình hình năng lượng ở nước ta hiện nay. Đề tài này
cung cấp cái nhìn tích cực về điện hạt nhân, giúp cho ta hiểu rõ hơn về điện
hạt nhân, về sự cần thiết của nó đối với sự phát triển của nhân loại.
4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Phương pháp
Đọc tài liệu, tổng hợp và phân tích tài liệu.
Minh họa bằng hình vẽ.
Phương tiện
Sách, báo tham khảo.
Các trang web cung cấp thông tin.
5 Các bước thực hiện đề tài
ü Nhận đề tài và xác định nội dung giới hạn của đề tài.
ü Nghiên cứu những tài liệu có liên quan.
ü Tiến hành tổng hợp tài liệu, song song đó trao đổi với giáo viên hướng
dẫn.
ü Hoàn thành luận văn.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

2

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

ü Báo cáo luận văn.
6 Một số từ viết tắt dùng trong đề tài.
Association of south-east asian nations: hiệp hội các nước Đông Nam Á.

ASEAN

Boiling Water Reator: lò nước sôi.

BWR

Canada Deuterium Uranium Reactor: lò Candu.

CANDU

Electricité de France: Tổng công ty điện lực Pháp.

EDF

Ente Nazionale per I’Energia eLettrica: công ty điện lực Ý.

ENEL

Tổng công ty điện lực Việt Nam.

EVN

Gas Cooled Fast Reator: lò phản ứng nhanh làm lạnh bằng khí.

GCFR
GCR

Gas Cooled Reator lò phản ứng làm lạnh bằng khí.

GDP

Gross Domestic Product: Tổng sản lượng nội địa

LFR Lead-Cooled Fast Reactor: lò phản ứng nhanh làm lạnh bằng than chì.

IAEA International Atomic Energy Agency cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế.
INES

Internatinal Nuclear Event Scale: Sự phân chia các mức tai nạn nguyên tử

quốc tế
INSAG

International Nuclear Safety Advisary Group

MOX

Oxit Uranium-Plutonium: hỗn hợp oxit nhiên liệu.

MSR

Molten Salt Reactor: lò muối nóng chảy.

MWe

megawatts electrical: megawatt điện năng.

PHWR
PWR

Pressurized Heavy Water Reactor: lò nước nặng.
Pressurized Water Reactor: lò nước áp lực.
Supercritical Cooled Water Reactor: lò phản ứng làm lạnh bằng siêu dòng

SCWR
điện.
SFR

Sodium – Cooled Fast Reator: lò nhanh làm lạnh bằng natri.

SILVA

Séparation isotopique par laser, sur la vapeur atomique d’Urani: phân tách

đồng vị hơi nguyên tử urani bằng lase.
UF6

urani hexafluorua

URENCO
VHTR

công ty nhiên liệu hạt nhân điều hành các nhà máy làm giàu uranium

Very-High-Temperature Reactor: lò phản ứng nhiệt độ rất cao làm lạnh

bằng khí.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

3

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Phần II

NỘI DUNG
Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN HẠT NHÂN
1.1 Lịch sử phát triển của nghành năng lượng nguyên tử.
Lịch sử phát triển của nghành năng lượng nguyên tử được mở đầu từ năm 1895.
Cho mãi tới cuối thế kỉ XIX, người ta vẫn coi nguyên tử là phần nhỏ bé nhất không
thể phân chia của vật chất. Năm 1895, khi Rơnghen phát hiện ra tia X, nghành vật lý
nguyên tử được hình thành và phát triển. Những phát minh liên tiếp của Becquerel,
Thompson, Marie Curie, Einstein,… đã đặt nền móng cho nghành công nghiệp năng
lượng nguyên tử. Đến ngày 27/6/1954, khi đã khánh thành nhà máy điện nguyên tử
đầu tiên trên thế giới thì mới thực sự mở đầu thời kì sử dụng năng lượng nguyên tử.
Năm 1904, nhà vật lý Thomson đã đưa ra mẫu nguyên tử đầu tiên. Theo mẫu
này thì nguyên tử là một quả cầu tích điện dương với các electron bay lơ lửng và khi
điện tử dao động thì phát bức xạ điện từ. Đến năm 1909 thì gặp phải mâu thuẩn với
các kết quả thực nghiệm nghiên cứu tán xạ của các hạt α trên lá kim loại mỏng.
Trong các thí nghiệm này người ta phát hiện ra rằng bên cạnh sự tán xạ ở các góc
nhỏ phù hợp với các tính toán về tương tác Culông của các hạt α với nguyên tử kiểu
như tán xạ Thomson, trong một số trường hợp các hạt α còn bị lệch các góc rất lớn.
Người ta không thể dùng mẫu Thomson để giải thích các hiện tượng này.
Năm 1911, nhà bác học Rutherford đã đưa ra một mẫu nguyên tử mới, theo mẫu
nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương +Ze ở tâm, nhân này có bán kính
rất nhỏ và Z điện tử chuyển động theo các quỹ đạo nào đó quanh hạt nhân ở các
khoảng cách tương đối lớn. Vì khối lượng điện tử là rất nhỏ so với khối lượng
nguyên tử cho nên toàn bộ khối lượng nguyên tử thực tế là tập trung ở hạt nhân.
Năm 1911 khi mẫu hạt nhân nguyên tử được đưa ra là năm sinh của nghành vật lý
hạt nhân. Nhưng mẫu này không giải thích được bức xạ điện tử của nguyên tử và
tính bền vững của nguyên tử.
Năm 1913, nhà vật lý Neils Bohr đã đưa ra lý thuyết lượng tử về các quá trình
xảy ra trong nguyên tử.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

4

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Về cơ bản người ta vẫn sử dụng mẫu Bohr và gọi nó là mẫu hành tinh nguyên tử.
Từ đó mở ra một nghành vật lý hoàn toàn mới là nghành cơ học lượng tử. Cùng với
cơ học lượng tử, lý thuyết tương đối do nhà bác học vĩ đại Abert Einstein đưa ra từ
năm 1905 đến năm 1916 là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết
các hạt cơ bản.
Với công thức liên hệ giữa khối lượng vật chất và năng lượng tương đương chứa
trong khối chất này: E=mc2. Albert Einstein xứng đáng được mệnh danh là “Cha đẻ
của nghành năng lượng nguyên tử”.
Đầu những năm 30 của thế kỉ XX cùng với nhiều máy móc trong lĩnh vực vô
tuyến, phổ kế ra đời tạo điều kiện cho vật lý có những phát minh có tính quyết định
trong nghành hạt nhân. Tạo ra một nghành công nghệ mới mẻ sản xuất năng lượng
phục vụ con người, chỉ ra được hướng giải quyết căn bản bài toán năng lượng cho
loài người.
1.2 Nhiên liệu hạt nhân.
1.2.1 Nguồn gốc urani
a/ Nguyên tử urani
Trên một trật tự sắp xếp theo khối lượng ngày
càng tăng của họ hạt nhân, urani là chất nặng nhất
trong tự nhiên. Urani tồn tại trong vài dạng khác nhau

là những chất đồng vị. Những chất đồng vị này khác
nhau về số những hạt nơtron trong hạt nhân. Trong tự
nhiên urani được tìm thấy trong vỏ địa cầu là sự pha
trộn phần lớn của hai chất đồng vị: urani -238 (U238),
chiếm 99,3% và urani -235 (U235) vào khoảng 0,7 %. Chất đồng vị U235 là quan
trọng hơn vì trong những điều kiện nhất định nó có thể bị phân rã và cung cấp nhiều
năng lượng. U238 phân rã rất chậm, chu kì bán rã bằng tuổi thọ của trái đất.
b/ Plutoni
Trong lò phản ứng nguyên tử U238 có thể bắt một trong những nơtron đang
hướng về bên trong lõi lò phản ứng và trở thành Pu239. Pu239 rất giống U235 ở chỗ
trong những phản ứng phân hạch khi bị va chạm bởi một nơtron nó giải phóng ra
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

5

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

nhiều năng lượng. Do có rất nhiều U238 trong lõi của lò phản ứng nên những phản
ứng này xuất hiện thường xuyên, và trong thực tế khoảng 1/3 năng lượng của nhiên
liệu tạo nên do sự phân rã của Pu239.
c/ Xử lý quặng urani
Quặng urani có thể được khai thác trong các mỏ ngầm hoặc lộ thiên. Sau khai
thác, quặng được nghiền và đưa lên trên mặt đất, rồi nó được xử lý với axit để hòa

tan urani và tách urani ra từ dung dịch. Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn khai thác
và giai đoạn nghiền là oxit urani cô đặc. Đối với các lò phản ứng trên thế giới, việc
tạo ra nhiên liệu có thể sử dụng được là chuyển đổi oxit urani thành khí, urani
hexafluorua (UF6). Việc làm giàu sẽ tăng thêm tỷ lệ của đồng vị U235 từ mức tự
nhiên của nó là 0,7% lên 3-4%. Sau việc làm giàu, khí UF6 được chuyển đổi thành
điôxit urani (UO2) và được định dạng trong những viên nhiên liệu. Những viên
nhiên liệu này được đặt bên trong ống của những ống kim loại mỏng, tập hợp thành
các bó thành nhiên liệu cơ sở cho lõi lò phản ứng.
1.2.2 Chuẩn bị nhiên liệu.
Tách urani từ quặng: urani là một kim loại tương đối phổ biến trong vỏ Trái đất,
nó không được khai thác trực tiếp dưới dạng tinh khiết bởi vì trạng thái tự nhiên nó
nằm trong đá kết hợp với các nguyên tố hóa học khác. Chu trình nhiên liệu hạt nhân
bắt đầu bằng việc khai thác quặng urani trong các mỏ lộ thiên hay các hầm ngầm
dưới đất. Nếu là mỏ lộ thiên, chỉ cần bóc lớp đất đá phủ tương đối mỏng để lấy
quặng, còn mỏ ngầm thì phải đào hầm lò khá sâu qua lớp đá không quặng, có khi tới
hai ba kilômet dưới lòng đất. Các mỏ urani nổi tiếng nhất được thấy ở Úc, Mỹ,
Canada, Nam Phi và Nga, cũng có vài mỏ ở Pháp.
Tuyển quặng và tinh chế urani: Hàm lượng urani trong quặng thường là thấp, vì
vậy cần làm tăng hàm lượng urani. Sau khi thu hoạch, quặng urani được đập vỡ rồi
nghiền nhỏ ở phân xưởng gia công. Trong quá trình thủy luyện, người ta tách urani
ra khỏi uặng bằng một dung dịch thường là axit sunfuric nhưng cũng có khi là dung
dịch bazơ. Ngoài urani ra, chất lỏng dung dịch còn hoà tan nhiều kim loại nặng và
asen nên phải lọc lấy urani lần nữa. Thành phẩm của khâu chế biến là “bánh vàng"
tức oxit urani U3O8 xen lẫn tạp chất.Chất ấy chiếm khoảng 75% oxit urani.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

6

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Làm giàu urani: Muốn dùng cho lò phản ứng hạt nhân, phải có loại nhiên liệu mà
tỷ lệ U235 ở giữa 3% đến 5% vì chỉ đồng vị ấy của urani mới chịu phản ứng phân
hạch giải phóng năng lượng. Nhưng trong 100kg urani tự nhiên có 99,3kg U238 và
0,7kg U235, tức chỉ có 0,7% U235 phân hạch. Thao tác làm tăng tỷ lệ U235 trong khối
urani tự nhiên được gọi là sự làm giàu. Làm giàu là một việc rất khó khăn vì U235 và
U238 là các đồng vị của cùng một nguyên tố nên rất giống nhau và hầu như có cùng
một tính chất hóa học. Hiện nay, có hai phương pháp làm giàu urani đã phát triển
đến mức công nghiệp: khuyếch tán chất khí và siêu ly tâm. Một phương pháp thứ ba
đang được nghiên cứu là phân tách đồng vị bằng laze.
* Các phương pháp làm giàu:
- Khuyếch tán chất khí: tetrafluorua urani thu được sau khi tách từ quặng và tinh
chế được biến thành hexafluorua urani có đặc tính là ở thể khí bắt đầu từ 560C.
Phương pháp khuyếch tán chất khí là làm cho UF6 ở thể khí đi qua một loạt các
“hàng rào” là những tấm màng đục lỗ rất nhỏ. Các phân tử hexafluorua urani 235
nhẹ hơn các phân tử hexafuorua urani 238 nên đi qua các rào nhanh hơn, nhờ vậy có
thể dần dần làm giàu urani. Tuy nhiên do khối lượng của hai đồng vị rất gần nhau
nên sự di chuyển chậm của urani 238 so với urani 235 cũng rất ít. Do đó trong một
nhà máy làm giàu urani, thao tác phải lặp đi lặp lại 1.400 lần để sản xuất ra urani có
độ giàu urani 235 cần thiết để dùng được trong các nhà máy điện hạt nhân thông
dụng.
- Siêu ly tâm: Một phương pháp để làm làm giàu urani được sử dụng trên quy mô
nhỏ hơn bởi Tập đoàn Châu Âu URENCO (Đức, Hà Lan, Anh) đó là phương pháp
siêu ly tâm. Phương pháp phân tích này dùng một máy ly tâm giống như một máy

làm khô rau quay với tốc độ rất nhanh đánh bật ra ngoài biên hexafluorua urani 238
và hexafluorua urani 235 chứa trong máy. Sự khác biệt rất nhỏ về khối lượng giữa
hai phân tử cho phép tăng dần hàm lượng urani 235. Muốn đạt đến một hàm lượng
urani 235 khá cao thì cần phải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau.
- Làm giàu bằng laze: Phương pháp SILVA hiện nay còn chưa được sử dụng
trong công nghiệp. Phương pháp này cho phép phân tách một nguyên tử urani 235
và một nguyên tử urani 238 chỉ qua một giai đoạn. Nguyên lý của sự phân tách đồng
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

7

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

vị bằng laze là lấy đi một electron urani 235 bằng cách sử dụng năng lượng do chùm
tia laze cung cấp mà không đụng chạm đến urani 238. Những tia laze có bước sóng
được lựa chọn một cách chính xác cung cấp năng lượng cần thiết để bức electron
khỏi urani 235 chứ không phải urani 238. Sau khi bị ion hóa urani 235 bị tách khỏi
hơi urani bởi một điện trường và được thu về phía cực âm trên các bộ góp.

Hình 1.1 : Quy trình sản xuất nhiên liệu nhà máy điện hạt nhân.
1.2.3 Xử lý nhiên liệu.
Chế tạo các bó thanh nhiên liệu: Sau khi được làm giàu UF6 được chuyển hóa
thành oxit urani dưới dạng một chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung để

tạo ra những mẫu phấn nhỏ gọi là viên. Mỗi viên chỉ nặng chừng 7 g và cung cấp
năng lượng bằng 1 tấn than đá. Các viên này được xếp vào những ống kim loại dài,
hai đầu bịt kín tạo thành các thanh nhiên liệu. Để cung cấp cho nhà máy điện hạt
nhân cần chế tạo hơn 40.000 thanh nhiên liệu kết lại thành những “bó củi” tiết diện
hình vuông, gọi là bó nhiên liệu.

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

8

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Thanh nhiên

Bó thanh

liệu

nhiên liệu

Hình 1.2: Cấu tạo bó thanh nhiên liệu.
Sự phân hạch trong lò phản ứng: Các thanh sắp xếp theo một dạng hình học làm
thành tâm lò phản ứng. Mỗi thanh phải nằm trong đó trong thời gian 3-4 năm. Trong

thời gian ấy, sự phân hạch của U235 sẽ cung cấp nhiệt năng cần thiết để sản xuất hơi
nước rồi sản xuất điện năng. U235 là chất phân hạch, sau khi hấp thụ một nơtron hạt
nhân của nó bị vỡ thành những sản phân hạch phóng xạ và giải phóng năng lượng.
Ngược lại U238 chiếm tới 97% của khối lượng urani giàu không bị phá vỡ ra khi hấp
thụ một nơtron. Tuy nhiên một số hạt của U238 bắt giữ một nơtron và biến đổi thành
Pu239 cũng là một chất phân hạch như U235.
1.2.4 Sự tái xử lý.
Theo thời gian, nhiên liệu chịu một số biến đổi làm giảm tính năng của nó: Tiêu
thụ ngày càng nhiều U235, xuất hiện các sản phẩm phân hạch. Sau một thời gian nào
đó nhiên liệu phải bị rút ra khỏi lò phản ứng. Để thu hồi lại plutoni và urani còn có
thể sử dụng được để sản xuất ra điện. Người ta tái xử lý nhiên liệu, không phải tất cả
các nước đều chọn việc tái xử lý, như Thụy Điển và Mỹ. Các nhiên liệu đã sử dụng
được xem như chất thải và được trực tiếp cất giữ ngay sau khi rút ra khỏi lò phản
ứng. Các nước chọn tái xử lý như Anh, Pháp, Nga, Nhật. Khi đến các nhà máy tái xử
lý, các bó nhiên liệu đã sử dụng được đặt vào một bể nước một lần nữa. Chúng được
cắt ra thành từng đoạn đưa vào một dung dịch hóa học. Những xử lý tiếp theo cho
phép tách biệt urani và plutoni khỏi các sản phẩm phân hạch. Urrani thu hồi trong
quá trình tái xử lý cũng giàu hơn urani thiên nhiên (khoảng 1%).
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

9

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

1.3 Chất thải hạt nhân.
1.3.1 Phân loại chất thải
- Mức độ phóng xạ: cường độ phóng xạ quyết định việc lựa chọn chống phóng
xạ.
- Chu kì bán rã: cho phép xác định thời gian có thể gây ra nguy hiểm.
+ Các chất thải ngắn ngày có hoạt độ phóng xạ thấp và trung bình: A+B.
A: với thời gian sống nhỏ hơn hoặc bằng 30 năm.
B: với thời gian sống lớn hơn 30 năm, hoạt độ phóng xạ trung bình.
Chu kì bán rã của chúng không quá 30 năm, các chất thải ấy hầu như đã
mất hết toàn bộ hoạt độ. Chúng được đẩy vào thùng thép hay bêtông và cất
giữ trên mặt đất.
+ Các chất thải có hoạt độ phóng xạ lâu dài: Sự suy giảm phóng xạ của chúng
kéo dài hàng trăm nghìn năm. Chúng được nấu trong nhựa đường hay thủy
tinh, cất giữ trong các thùng địa chất ở sâu dưới đất hoặc biến đổi chúng
thành các chất phóng xạ ngắn ngày.
1.3.2 Xử lý chất thải.
Khi lò phản ứng hạt nhân hoạt động, phản ứng dây chuyền phá vỡ hạt nhân urani
-235, độ giàu của urani giảm dần đi, đồng thời sinh ra một lượng lớn sản phẩm phân
hạch có tính phóng xạ. Sau một thời gian hoạt động, những thanh nhiên liệu đã cháy
phải đưa ra khỏi lò phản ứng, thay bằng các thanh nhiên liệu mới. Những thanh
nhiên liệu đã cháy này phải được xử lý và từ đấy cho các chất thải phóng xạ có
nhiều loại.
Theo tính toán, một lò phản ứng hạt nhân kiểu PWR công suất 1.000MW mỗi
năm cho 21 tấn chất thải phóng xạ trong ấy có:
-

20 tấn urani có độ giàu đã giảm từ 3% urani -235 xuống chỉ còn 0,9%.

-

200kg plutoni.

-

21kg chất actinit trong ấy có 10kg neptuni, 10kg amerixi, 1kg curi.

-

760kg sản phẩm phân hạch trong ấy có những nguyên tố có đời sống dài là:
9kg xesi – 135, chu kì bán rã là 2,3 triệu năm
18 kg tecnixi – 99, chu kì bán rã là 2,14 triệu năm.

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

10

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

16 kg ziri coni – 93, chu kì bán rã là 1,5 triệu năm.
5,5 kg paladin – 107, chu kì bán rã là 6,5 triệu năm.
3 kg iôt – 128, chu kì bán rã là 1,5 triệu năm.
Trên thế giới hiện nay có hai cách giải quyết vấn đề chất thải hạt nhân. Nước

Pháp chủ trương tái xử lý chất thải phóng xạ, thu hồi chất phóng xạ plutoni để dùng
cho lò phản ứng cũng như thu hồi urani có độ giàu đã giảm đi để sử dụng lại. Nước
Mỹ thì chủ trương không tái xử lý, để nguyên như vậy mà chôn xuống đất, vì lo sợ
nếu tái chế biến lấy ra plutoni thì sẽ có nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân, vì chỉ cần
6 – 7 kg plutoni cũng đủ để chế tạo một quả bom nguyên tử.
1.3.3 Bảo quản chất thải
- Chôn cất: Các chất thải chôn cất một thời gian dài tại nhà máy sau đó chuyển
đến một trung tâm lưu trữ và cuối cùng đem chôn cất trong các tầng địa chất.
- Chuyển hóa: Chuyển hóa là phương pháp biến các chất đồng vị phóng xạ dài
ngày thành các đồng vị ngắn ngày bằng cách bắn phá nơtron vào đồng vị dài ngày.
Có hai phương pháp để làm chuyển hóa A và B:
1. Trong lò nhanh, người ta có thể trộn các chất muốn chuyển hóa với nhiên liệu
hoặc đặt các chất muốn chuyển hóa vào những bia đặc biệt.
2. Dựng máy gia tốc bắn vào các hạt bia để làm bứt phá ra các nơtron, các
nơtron này bắn vào vành dưới tới hạn để sinh ra phản ứng phân hạch dây
chuyền.

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

11

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Chương 2

NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN VÀ VẤN ĐỀ AN TOÀN HẠT NHÂN
2.1 Lò phản ứng hạt nhân – Quả tâm của nhà máy điện nguyên tử.
2.1.1 Lịch sử lò phản ứng hạt hạt nhân.
Lò phản ứng hạt nhân trãi qua bốn thế hệ hình thành và đang trong giai đoạn phát
triển. Ta lần lượt điểm qua lịch sử các thế hệ lò phản ứng.
Lò phản ứng thế hệ I: Lò phản ứng Magnox là một lò phản ứng đầu tiên được sản
xuất và tung ra thị trường vào những năm đầu thập niên 50 do 3 nhà vật lý người
Anh sáng chế là:Ts Ion, Ts. Khalil, và Ts. Magwood. Lò Magnox sử dụng nhiên liệu
urani trong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% chất đồng vị U235 và 99,7% U238. Có tất
cả 26 lò Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện tại chỉ còn 8 lò còn đang hoạt động
và sẽ bị đào thải vào năm 2010.
Lò phản ứng thế hệ II: Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đa số các
lò đang hoạt động trên thế giới. Từ lúc ban đầu, 60% loại lò này áp dụng nguyên lý
lò nước sôi áp suất cao. Nhiên liệu sử dụng cho lò thuộc thế hệ II này là hợp chất
urani đioxit và hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zironi.
Lò phản ứng thế hệ III: Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghiên
cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ II. Năm 1996 tại Nhật
đã có loại lò này. Hiện tại các lò này đang được sử dụng nhiều ở quốc gia trên thế
giới vì thời gian xây dựng tương đối ngắn và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc
thế hệ trước. Hơn nữa, việc vận hành cũng như bảo dưỡng loại lò này tương đối đơn
giản và an toàn hơn.
Thế hệ III+ là thế hệ lò phản ứng được trang bị những cải tiến về tính kinh tế và
mức độ an toàn cao hơn thế hệ III. Ưu điểm của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III
so với các thế hệ trước là khả năng xảy ra sự cố ít hơn, khả năng sinh lãi lớn hơn do
công suất được tăng lên tới 1.600 MW và sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn. Mỗi lò
phản ứng thế hệ III sẽ giúp tiết kiệm 2 tỉ m3 khí đốt mỗi năm và góp phần giảm tới
11 triệu tấn khí thải CO2 so với việc sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống. Ngoài
ra giá thành sản xuất điện bằng lò này rẻ hơn 30-50% so với sản xuất điện tại các

nhà máy nhiệt điện.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

12

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Lò phản ứng thế hệ IV: Trước yêu cầu ngày càng cấp thiết hơn về an toàn lao
động và bảo vệ ô nhiễm môi trường nhất là hiệu ứng nhà kính, các nhà khoa học
đang tiến dần đến việc xây dựng các lò hạt nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn
không còn dùng đến con người nữa mà hoàn toàn tự động. Hơn nữa sẽ không còn có
việc phát thải khí CO2 vào không khí. Một đặc điểm mới của lò hạt nhân thế hệ IV
này là có thể sản xuất ngoài điện năng, còn cả hydro, một nhân tố cơ bản cho hầu hết
các công nghệ tổng hợp hóa chất hiện nay. Thế hệ IV còn được gọi là “lò phản ứng
cách mạng”.
Vì đang còn trong thời kỳ phôi thai, phần lớn các lò này, trên lý thuyết, an toàn
hơn, nhưng chưa thể xuất hiện trên thị trường trước 2035-2040.
Lò

1 SFR

Nước nghiên cứu và Nơtron

Nhiệt độ Nhiên liệu

phát triển

ra (độ C)

Nhật, Mỹ, Pháp, Anh

Nhanh

520-550

U- Pu Zr, oxyde
U-Pu (Nitrure UPu)

2

LFR

Nhật, Mỹ, Pháp, Thụy Nhanh

550-800

Nitrure U-Pu

Sĩ
3 SCWR Canada, Nhật, Mỹ

Nhiệt/Nhanh 620

Oxyde U (UOX)
Oxyde

U-Pu

(MOX)

4 MSR

Pháp

Nhiệt

5 GCFR

Nhật, Mỹ, Pháp, Anh, Nhanh

700

Muối chảy

850

Carbure

Thụy Sĩ

U-Pu

Nitrure-Pu

6 VHTR Nhật, Mỹ, Pháp, Anh, Nhiệt

950-1100

Oxyde carbure U

Nam Phi, Cộng đồng
Châu Âu
2.1.2 Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền.
2.1.2.1 Điều kiện tới hạn của phản ứng dây chuyền.
GVHD:Hoàng Xuân Dinh

13

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành
hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết nhỏ nhất để hạt nhân phân
chia được gọi là năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền
cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại,
một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân. Do đó, gây
ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ thành các mảnh nhỏ. Hai phản ứng hạt nhân chính

diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm và U235 là:
0n

và

1

+ 92U235 → A + B + νn ’

1

+ 92U235 → 92U236 + γ

0n

Trong đó A và B là hai nhân nhẹ hơn U235 gọi là các mảnh phân hạch. Để lò
đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng thái mà ở đó phản ứng dây chuyền tự duy trì
phải có một sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và nơtron xuất hiện trong
phân hạch. Nói cách khác muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết
là mọi hạt nhân khi phá vỡ, phải phát ra một số nơtron. Những nơtron này lại có thể
bắn phá các hạt urani khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây
chuyền.
Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng lượng
lớn hơn 1 MeV). Trái lại, hạt nhân U235 sẽ bị vỡ khi hấp thụ cả nơtron chậm và
nơtron nhanh. Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm của hạt nhân U235 lớn hơn
nhiều so với xác suất hấp thụ nơtron nhanh.
Năng lượng kích hoạt đối với từng hạt nhân phụ thuộc tỷ số Z2/A của hạt nhân đó
theo biểu thức:
Wk ≈ 0,18. A 2 3 [5,2 − 0,117.(Z 2 A)]

[MeV ]

trong đó Z là số điện tích và A là số khối của hạt nhân bị phân hạch.
Nếu như Z2/A là khá lớn (nhưng vẫn đảm bảo điều kiện 5,2 > 0,117. (Z2/A))
thì năng lượng kích hoạt vẫn còn rất nhỏ. Chính vì vậy mà các hạt nhân nặng có thể
bị phân hạch không những do sự hấp thụ năng lượng của nơtron mà còn có thể bị
phân hạch một cách tự phát.

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

14

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Nghành SP Vật lý

Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ bị
vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (là nơtron có năng lượng từ 0,1 → 0,001 eV), còn U238
và Tho232 sẽ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh(có năng lượng lớn hơn 1MeV).
Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành hạt nhân ZXA+1 ở trạng thái
kích thích có mức năng lượng cao hơn mức cơ bản. Năng lượng kích thích bằng
tổng động năng và năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân mới. Nếu năng
lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra.
Nếu ngược lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ γ .
Các phản ứng phân hạch của hạt nhân U235 bằng nơtron nhiệt có thể viết như sau:

0n

1

+ 92U235 → 2 mảnh phân hạch + ν n’

0n

1

+ 92U235 → 2 mảnh phân hạch + các hạt β −

0n

1

+ 92U235 → 2 mảnh phân hạch + các lượng tử γ
Khi phân hạch, hạt nhân U235 phản ứng với một nơtron thì xác suất xảy ra
1
, mà mỗi lần phân hạch có ν nơtron được tạo thành, cho nên
1+α

phân hạch là
η =ν

1
là số nơtron trung bình được tạo ra khi hạt nhân U235 hấp thụ một nơtron.
1+ α

Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có một nơtron bị hấp thụ.

Do hấp thụ nơtron đầu tiên này mà η nơtron mới được tạo thành. Để đơn giản là ta
giả định tất cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lượng như
nhau. Trong số η nơtron sẽ chỉ có

∑

(trong đó

f
a

∑
∑

f
a

phần còn lại bị hấp thụ trong nhiên liệu

a

là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạch của nhiên liệu,

∑

a

là tiết

diện hấp thụ toàn phần của tất các vật liệu trong lò kể cả nhiên liệu). Vì thế cho nên

đối với lò có kích thước lớn đến mức không có một nơtron nào có thể rò ra khỏi lò ta
nói đó là một lò vô hạn. Khi đó hệ số nhân sẽ có dạng:
η ∑a
f

k∞ =

∑

= ηf

a

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

15

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh


Luận văn tốt nghiệp

Trong đó f =

Nghành SP Vật lý

∑
∑

f
a

là hệ số sử dụng nơtron nhiệt. Nếu lò có kích thước hữu

a

hạn thì k = η fPt (đối với trường hợp 1 nhóm); trong đó Pt là xác suất để nơtron nhiệt
không thoát ra khỏi lò.
Giả sử các nơtron nhanh xuất hiện do phân hạch được làm chậm đến các
nơtron nhiệt và sau đó gây ra phản ứng với U235. Một số nơtron nhanh gây ra phân
hạch U238. Tỷ số giữa số nơtron được làm chậm xuống dưới ngưỡng phân hạch của
U238 (~ 1,2 MeV, nghĩa là nơtron nhanh phải có năng lượng cỡ 1,2 MeV mới có khả
năng phân hạch U238) chia cho số nơtron xuất hiện ban đầu trong hệ được kí hiệu là
ε và được gọi là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh. Giả sử có m nơtron bị làm

chậm qua vùng cộng hưởng thì trong đó chỉ có n nơtron tránh được sự hấp thụ cộng
hưởng để xuống được vùng nhiệt. Như vậy p=m/n gọi là xác suất tránh hấp thụ cộng
hưởng. Từ đó ta có công thức bốn thừa số đối với lò chạy bằng nơtron nhiệt như sau:
k ∞ = ηεpf

Trong đó: η là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân U235 hấp thụ 1 nơtron;
là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh;
P là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng;
k ∞ = 1 là điều kiện tới hạn của lò.

Nếu lò hữu hạn hoặc có kể đến hiện tượng rò của các nơtron ra khỏi lò thì công thức
bốn thừa số biến thành:
k = ηεpfPt P f

Trong đó Pf là xác suất tránh nơtron nhanh ra khỏi lò.
Công thức bốn thừa số cho phép ta xét đoán điều kiện tới hạn của lò.
2.1.2.2 Thời gian tồn tại của nơtron trong lò.
Để đơn giản, ta giả thiết rằng lò là đồng nhất, không có chất phản xạ nơtron,
chưa kể đến các hiệu ứng nhiệt độ của môi trường…
Nếu gọi τ là thời gian sống trung bình của nơtron trong lò, nghĩa là khoảng
thời gian từ lúc nơtron được sinh ra do phân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp

GVHD:Hoàng Xuân Dinh

16

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

SVTH: Võ Thị Ánh