Chương 7: Phản ứng hạt nhân và ứng dụng

1 Chương 7 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG 2 U-23６ U-235 Thanh điều khiển U-23６ -235 neutron U-23６ 5 Phân hạch U-235 3 CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN bYXa  Phản ứng này còn được viết dưới dạng: X(a, b)Y • Bảo toàn năng lượng • Bảo toàn động lượng • Bảo toàn điện tích (số Z) • Bảo toàn số nucleon (số A) 4 CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN bYXa  Định luật bảo toàn năng lượng cho phản ứng trong phương trình để tính năng lượng được giải phóng (hay hấp thụ), mà ta gọi là năng lượng phản ứng, Q   2bYaXabY cMMMMKKKQ  Nếu Q > 0 thì phản ứng tỏa năng lượng (tỏa nhiệt): khối lượng hạt nhân chuyển thành động năng của các hạt Y và b. Nếu Q < 0 thì phản ứng thu năng lượng (thu nhiệt): hạt nhân bia cần một năng lượng từ hạt tới để phản ứng xảy ra. 5 Phản ứng thu năng lượng thì hạt tới phải có một năng lượng tối thiểu nào đó, ta gọi là năng lượng ngưỡng Kng, thì hạt a mới có khả năng gây ra phản ứng để tạo thành hạt Y và b.        X a ng M M 1QK 6  Naêng löôïng lieân keát rieâng : Ñeå so saùnh ñoä beàn vöõng cuûa caùc nhaân ta thöôøng duøng khaùi nieäm naêng löôïng lieân keát öùng vôùi moät nucleon , hay goïi laø naêng löôïng lieân keát rieâng. Ta kyù hieäu baèng chöõ  A : soá khoái Giaù trò  thay ñoåi tuøy theo loaïi haït nhaân . Noäi dung noù naèm töø 7 ñeán 8 MeV.   lk E A 7 Toång hôïp Vuøng beàn vöõng Söï phaân haïch Soá khoái A N a ên g l ö ô ïn g l ie ân k e át  ( M e V ) 8 • Từ đồ thị ta thấy rằng năng lượng liên kết riêng lớn nhất đối với các hạt nhân có số khối trung bình (quanh giá trị A = 60). • Năng lượng sẽ được giải phóng khi hạt nhân nặng có số khối A  200 tách hoặc phân hạch thành các hạt nhân nhẹ hơn có số khối gần A = 60 • Năng lượng có thể giải phóng khi hai hạt nhân nhẹ có A  20 kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn 9 PHÂN HẠCH HẠT NHÂN • Phân hạch hạt nhân xảy ra khi một hạt nhân nặng, chẳng hạn như 235U, tách ra thành hai hạt nhân có khối lượng gần bằng nhau mà ta gọi là sản phẩm phân hạch. • Trong phản ứng này, khối lượng của các sản phẩm phân hạch nhỏ hơn khối lượng thật của nó. Khi hạt nhân nặng bắt một neutron nhiệt thì xãy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và giải phóng một năng lượng 200 MeV   neutronvàiYXUUn *236922359210  n3KrBaUn 10 92 36 141 56 235 92 1 0  10 1. Hạt nhân 235U bắt một neutron nhiệt (neutron chậm). 2. Hình thành hạt nhân kích thích và năng lượng dư của hạt nhân này làm cho nó dao động mạnh mẽ. 3. Hạt nhân trở nên bị biến dạng thành hình quả tạ và lực đẩy giữa các proton trong hai nữa quả tạ làm tăng lên độ biến dạng của nó. 4 Hạt nhân bị tách thành hai mảnh và phát ra vài neutron. 11 • Sự vỡ ra hai mảnh phân hạch và từ hạt nhân mẹ (Z, A), theo vật lý thống kê về phương diện trung bình tuân theo qui luật: 1 2 3 5 2 5 A A A A   1 2 3 5 2 5 Z Z Z Z   12 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 235U phân hạch sẽ có trung bình 2,5 neutron phát ra. Những neutron này va chạm với các hạt nhân khác ngoài 235U dẫn đến mất dần năng lượng và cuối cùng thành neutron nhiệt. Phép tính toán cho thấy rằng nếu phản ứng dây chuyền không thể điều khiển được thì dẫn đến vụ nổ hạt nhân do giải phóng một năng lượng cực kỳ lớn Lò phản ứng là một hệ thống được thiết kế để kiểm soát phản ứng phân hạch mà ta gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì 13 14 15 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH • Năng lượng liên kết của hạt nhân nhẹ (A < 20) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết của hạt nhân nặng, cho nên điều này làm người ta nghĩ tới một quá trình ngược với quá trình phân hạch hạt nhân và được gọi là quá trình hợp hạch. • Vì phải đưa các hạt nhân lại gần nhau nên cần có nhiệt độ cao, vì vậy phản ứng hợp hạch còn gọi là phản ứng nhiệt hạch    HeHH eHHH 3 2 2 1 1 1 0 1 2 1 1 1 1 1 HHHeHeHe eHeHeH 1 1 1 1 4 2 3 2 3 2 0 1 4 2 3 2 1 1    16 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH • Phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn nhất cho lò phản ứng nhiệt hạch mà có thể thực hiện trên mặt đất là MeV59,17QnHeHH MeV03,4QHHHH MeV27,3QnHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 1 1 3 1 2 1 2 1 1 0 3 2 2 1 2 1    Lực hút hạt nhân Lực đẩy Coulomb Nhiệt độ tại tốc độ phát công suất vượt quá tốc độ mất mát (do cơ chế mất mát bức xạ) được gọi là nhiệt độ đốt cháy tới hạn 17 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH • ở nhiệt độ cao còn có hai thông số tới hạn khác để xét xem lò phản ứng nhiệt hạt nhân có thành công hay không: mật độ ion n, và thời gian hãm . Thời gian hãm là thời gian mà sự tương tác của các ion được duy trì ở nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ đốt cháy tới hạn. • Nhà Vật lý người Anh, J. D. Lawson đã chứng minh rằng cả hai mật độ ion và thời gian hãm phải đủ lớn để đảm bảo năng lượng nhiệt hạch giải phóng ra lớn hơn nhiệt độ cần thiết để đốt nóng plasma. Tiêu chuẩn Lawson thỏa mãn các điều kiện sau đây: )DD(cm/s10n )TD(cm/s10n 316 314   18 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH • Tóm lại, ba điều kiện cơ bản để có phản ứng nhiệt hạch, từ đó đặt cơ sở cho việc xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch là • Nhiệt độ plasma phải rất cao, khoảng 4,5.107K đối với phản ứng D-T và khoảng 4.108K đối với phản ứng D-D. • Mật độ ion phải cao. Mật độ tương tác hạt nhân cao là cần thiết để tốc độ va chạm giữa các hạt tăng lên. • Thời gian hãm của plasma phải lâu hơn. Để thỏa mãn tiêu chuẩn Lawson thì tích số n phải lớn. Đối với n cho trước, xác suất va chạm để tạo phản ứng nhiệt hạch giữa hai hạt tăng lên khi  tăng. 19 • Thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch MeV6,17QnHeHH 10 4 2 3 1 2 1  Trong khi hạt alpha bị hấp thụ trong plasma và bổ sung thêm phần năng lượng để làm nóng plasma, còn neutron 14 MeV xuyên qua plasma và bị hấp thụ trong những vật liệu xung quanh để gửi lại năng lượng lớn của chúng cho môi trường và công suất điện được phát ra Một đề nghị là dùng kim loại lithium nóng chảy làm vật liệu hấp thụ neutron và để lưu chuyển lithium trong một vòng trao đổi nhiệt khép kín để tạo ra hơi và làm quay tua-bin cũng giống như nhà máy điện hạt nhân thông thường HeHLin 42 3 1 6 3 1 0  20 • Thuận lợi và khó khăn của lò nhiệt hạch Thuận lợi hơn so với nhà máy điện phân hạch hạt nhân: 1. Giá thành nguồn nhiên liệu thấp và dồi dào (deuterium), 2. Khống chế được các tai nạn xảy ra, 3. Sự nguy hiểm về bức xạ ít hơn so với phân hạch Khó khăn thấy trước bao gồm: 1. Tính khả thi không thiết lập được lò phản ứng nhiệt hạch 2. giá thành nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân rất cao 3. Sự khan hiếm về lithium 4. Hạn chế về helium cần để làm lạnh nam châm siêu dẫn 5. Hư hổng cấu trúc và gây ra phóng xạ do neutron bắn phá 6. Độ ô nhiễm nhiệt cao 21 22 Bài tập chương 7 1, 2, 3, 13, 17, 18, 19, 20