1

Chương 9. Năng lượng hạt nhân

Các nhân trong tự nhiên bền vững nhất ở vùng A=60, hai bênlà vùng tổng hợp và phân hạch hạt nhân.

Các quá trình tự xảy ra trong thiên nhiên theo xu thế có lợi vềmặt năng lượng=> có khả năng thu được năng lượng khicác hạt nhân phân chia hoặc tổng hợp=>tiềm năng về nănglượng hạt nhân.

1932, có nơtron làm đạn, bắn U(235) ra siêu urani (236), vàphân rã thành 2 hạt nhân khác kèm theo một năng lượnglớn => p/p tạo ra năng lượng hạt nhân

2

Hiện tượng phân hạch

14357

14358

14359

14360

Pr

La e

Ce e

e

Nd e

ν

ν

ν

ν

−

−

−

−

+ +

+ +

+ +

+ +

236 143 90 192

235 192 0 56 36 0( ) 3U BU an Kr n∗ → + ++ →

9037

9038

9039

9040

Rb e

Sr e

Y e

Zr e

ν

ν

ν

ν

−

−

−

−

+ +

+ +

+ +

+ +

143 90 160 40 08 8 3Nd Zr e nν−+ + + +

3

• Hiện tượng một hạt nhân nặng phân chia thành 2 hạt nhânnhẹ và 1 số hạt khác gọi là hiện tượng phân hạch.

• Cơ chế được giải thích bằng mẫu giọt hạt nhân

• Trong giọt có 2 lựcđối nghịch nhau:Lực bề mặt F1

Lực đẩy Coulomb F2

• Khi F1<F2

giọt sẽ bị chia đôi.

4

Điều kiện để có sự phân hạch

Khả năng phân chia của một nhân được tính thông qua : k=Z2/A• Có phân hạch khi

• Nói chung sự phân chia bắt đầu từ các nhân có A cỡ 100

• A càng lớn khả năng phân chia càng lớn, tự phát .

• Khi A chưa đủ lớn, nơtron tới cấp thêm năng lượng cho cácnuclon đạt được ngưỡng để có thể phân chia theo cơ chế táchgitọ và xuyên ngầm.

218Z

A≥

5

Các kênh phân hạchKhi hạt nhân phân hạch, có thể xảy ra nhiều cách phân chia=> nhiều kênh phân hạch. Xác suất xảy ra các kênh không nhưnhau.

Các mảnh phân chia có A= 70- 160Tỷ lệ các mảnh lệch nhau có xắc suất lớn hơn (99%), cácmảnh bằng nhau (1%)

VD:Với Urani, các mảnh cỡgần như nhau (~120)là ít xảy ra.

6

Các nơtron do phân hạch hạt nhân

• Các mảnh phân hạch gọi là sản phẩm phân chia, trong đócó cả nơtron (N.).

• Số n sinh ra phụ thuộc vào năng lượng của N. tới (N. hấpthụ).

• N. sinh ra có thể tức thời, hoặc trễ.• N. tức thời có E(n) =0,1 - 10 MeV, chiếm 99% toàn bộ. • N. trễ (1%), là sản phẩm của các phân rã trung gian.

• N. trễ có vai trò điều khiển phản ứng dây chuyền.

235 1 143 90 192 0 60 40 08 8 3U n Nd Zr e nν−+ → + + + +

7

Năng lượng phân hạch

Năng lượng liên kết rieng của các nhân có A lớn thường rấtlớn.

Thông thường 1 nhân phân rã giải phóng ra khoảng 0,85. Acỡ 200MeV!!!

Năng lượng này chia thành các phần:1. Động năng các mảnh 83%2. Các lượng tử tức thời 2,5%3. Năng lượng các nơtron 2,5%4. Năng lượng các phân rã Bêta 3,5%5. Năng lượng các phân rã Gamma 3 %6. Năng lượng nơtrino 5,5%

8

Phản ứng dây chuyền

• Các n mới sinh - n thứ cấp trở thành đạn gây ra các phảnứng tiếp theo.

• Trung bình sau mỗi p.ư có 3 n tạo thành, thế hệ 2 có 32 =9 nơtron tạo thành, ...thế hệ thứ k có 3k nơtron tạo thành=> p.ư dây chuyền (giải phóng E rất lớn).

• VD: Để tách 2g Urani cần 5.1021 nơtron~ 72 thế hệ (272

p.ư,), giải phóng 272.200 MeV ~ 4 tấn dầu cháy, trong 10-4

s.

235 1 143 90 192 0 60 40 08 8 3U n Nd Zr e nν−+ → + + + +

9

Hệ số tái sinh nơtron trong phản ứng dây chuyền

Thực tế, trong số các n sinh ra còn có một số n bị thất thoát, do các nguyên nhân:

1. Bay ra ngoài hệ2. Bị U(238) bắt mà không phân hạch3. Bị chất làm chậm bắt, các sản phẩm khác bắt.4. Bị bắt và xuất hiện trễ từ các phân chia trung gian.

Như vậy để có dây chuyền thì số tái sinh phải nhiều hơn sốthất thoát, ta gọi hệ số tái sinh là k:

=> 1

i

i

NkN −

=1

1n

nN N k −=

10

Điều kiện lò phản ứng

• Khi k=1, hệ tới hạn, chế độ làm việc của lò p.ư- dừng- ổnđịnh

• Khi k>1: hệ trên tới hạn, cường độ đang tăng - chế độ đốtlò.

• Khi k<1, hệ dưới mức tới hạn,p.ư. tắt- chế độ tắt lò

• Số nơtron sinh ra ~ thể tích, số dò rỉ~ diện tích lò (k=V/S) => phải thiết kế lò để có k=1- kích thước tới hạn của lò.

• Có thể điều khiển bằng các thanh điều khiển bằng các chấthấp thụ n (Bo, Cadmi)

11

Phản ứng nhiệt hạch

• Tổng hợp hai hạt nhân nhẹ sẽ giải phóng năng lượng lớnhơn nhiều so với phân hạch.

• Trung bình cho 1 nuclon là 3,5 MeV, trong p.ư. phân hạchlà 1MeV)

• Muốn có p.ư, hạt phải vượt qua rào thế Coulomb, cần độngnăng lớn, ~ nung lên T cao~ gọi là p.ư. nhiệt hạch.

• Vũ trụ: Mặt trời là 1 lò p.ư. nhiệt hạch.

2 3 4 11 1 2 0 17,6H H He n MeV+ → + +

12

Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ

• Mặt trời• R=7800 km

• T(bề mặt)= (10-20). 106 K , mật độ vật chất 100g/cm3

• => mặt trời là một khối plasma- hạt nhân trần trụi và cácelectron

• Nguồn gốc năng lượng mặt trời là do các p.ư nhiệt hạchtrong lòng- bao gồm 2 chu trình phản ứng: Chu trình Cácbon và chu trình Hiđro

13

Chu trình Các bon

Cacbon là xúc tác 1 12 131 6 7

13 137 61 13 14

1 6 71 14 15

1 7 815 15

8 71 15 12 4

1 7 6 21 4

1 24( ) 2 2 3

H C N

N C e

H C N

H N O

O N e

H H

H e

e

C

e

N H

γ

ν

γ

γ

γ

ν

ν

+

+

+→

+ → +

→ + +

+ → +

+

+ +

→ +

→ +

+ +

+

+

→

14

Chu trình Hidro

Năng suất Toả nhiệt của 2 chu trình khác nhau.

1

1 1 21 1 11 2 3

1 1 23 3 4 1

2 2 2 14

1 2

2(

4( ) 2

)

2 2

H H H e

H H He

He H

H

He

e

e H

H e ν γ

ν

γ

+

+

+ → + +

+ →

→

+

+ +

+

+

+ →

15

Phản ứng nhiệt hạch trong phòng TN

Tổng hợp đồng vị của Hiđro (có nhiều trong nước biển,...)-cho năng lượng lớn gấp 10 lần Urani

Khó khăn: Điều kiện T rất cao (10-100 triệu K), áp suất lớntrong thời gian dài- không có vật liệu nào chịu được- mọivật chất đều ở dạng plasma!!

2 2 31 1 2

2 2 3 11 1 1 1

2 3 41 1 2

3,2 ( )

4,0 ( )

17,6 ( )

H H He n MeV D D

H H H H MeV D D

H H He n MeV D T

+ → + + −

+ → + + −

+ → + + −

16

Tiêu chuẩn Lawson

3 yêu cầu để một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động thànhcông:

-Mật độ hạt cao (để tốc độ va chạm cao)-Nhiệt độ platsma cao(đủ cho đông năng 20KeV=23.107K-Thời gian giữ platsma đủ dài, để có đủ lượng nhiên liệu được

tổng hợp: Tiêu chuẩn Lawson: 20 310 .n smτ −>

17

Lò phản ứng nhiệt hạch - TOKAMAK

• Điều kiện T rất cao (10-200 triệu K), áp suất lớn trongthời gian dài- không có vật liệu nào chịu được- mọi vậtchất đều ở dạng plasma!!

• 1954- Vật lý Liên xô=> p/p cách nhiệt với thành lò bằnghiệu ứng nén cột plasma nóng bằng từ trường , từ đó tạođược các lò p.ư nhiệt hạch:

• Phóng điện qua plasma=> dòng điện lớn , tạo ra đườngsức, bóp cột plasma tách khỏi thành lò.

• 1970-Mỹ-> lò p.ư nhiệt hạch với công suất lớn.

18

19

TOKAMAK. • Plasma nóng được giữ trong một từ trường có dạng hình

xuyến.• (PTN Pricenton Mỹ- 1970)

• Từ trường giữ -(a)- đường xoắn xung quanh xuyến.• Lực từ tác dụng lên các điện tích chuyển động giữ cho

chúng không chạm vào thành lò.• Từ trường này là tổng hợp của 2 từ trường :(b)- từ trường hình xuyến- tạo bởi cuộn dây(c)- từ trường hình cuốn- tạo bởi dòng cảm ứng trong plasma-

cũng chính nó đốt nóng plasma.

20

• Có Tokamak, có được lò p.ư. nhiệt hạch có điều khiển=> tạo nhà máy điện năng lượng nhiệt hạch công suất rất lớn.

• Ngoài ra, năng lượng nhiệt hạch được sử dụng đơn giản -không điều khiển trong các bom nhiệt hạch (khinh khí-Hiđro)- trong các mục đích hoà bình như phóng tàu vũ trụ.

• Tuy nhiên- cần tuân theo các hiệp ước hoà bình và bảo vệmôi trường chung!!!