vật lý lò phản ứng hạt nhân

TƯƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT VÀ NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG 1.1 Nơtron Nơtron đóng một vai trò rất quan trọng trong các quá trình vật lý diễn ra trong lò phản ứng hạt nhân,

Chương 1 TƯƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT VÀ

NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA LÒ PHẢN ỨNG

1.1 Nơtron

Nơtron đóng một vai trò rất quan trọng trong các quá trình vật lý diễn ra trong

lò phản ứng hạt nhân, bởi vì nó gây ra phản ứng phân hạch hạt nhân đối với nhiênliệu hạt nhân và bảo đảm sự duy trì của phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền

Các nơtron và proton cấu tạo nên hạt nhân của các nguyên tử Số proton vànơtron trong hạt nhân được ký hiệu là Z và N tương ứng Tổng số A = Z + N là sốkhối lượng của nguyên tử, gần bằng với khối lượng của hạt nhân Điều đó cónghĩa rằng tổng số khối lượng của các electron trong nguyên tử là không đáng kể

so với khối lượng hạt nhân Proton mang điện tích dương bằng +1,6.10-19C, cókhối lượng bằng 1,6726.10-27kg và là một hạt cơ bản bền; còn nơtron là một hạttrung hòa (không mang điện tích) có khối lượng bằng 1,675.10-27kg hay989,573MeV

Nơtron là một hạt chỉ bền trong hạt nhân, nghĩa là quá trình phân rã củanơtron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lượng; nơtron chỉ bị phân rãkhi có đủ năng lượng để thắng năng lượng liên kết của nó trong hạt nhân Ở trạngthái tự do, nơtron nhanh chóng bị phân rã thành proton, p, electron, e-, và phảnnơtrino,  , với thời gian bán rã, T1/2  11,7 phút:

(1.1)

Trong vật lý lò phản ứng hạt nhân, các nơtron luôn luôn được xem xét ởtrang thái tự do vì các quá trình vật lý trong lò phản ứng diễn ra khá nhanh nêntrạng thái không bền của nơtron tự do không đóng vai tròn quan trọng Điều đócũng có nghĩa rằng thời gian sống của nơtron tự do là khá dài so với thời giantương tác của nó với vật chất trong lò phản ứng hạt nhân

Các nơtron đươc sinh ra trong lò phản ứng do phân hạch hạt nhân nhiênliệu có năng lượng từ 0 đến 10 MeV Tính chất tương tác của các nơtron với vật

chất khác nhau trong các vùng năng lượng khác nhau Vì thế, người ta phân chiadải năng lượng từ 0 đến 10 MeV thành 3 vùng năng lượng tương ứng với các tínhchất khác nhau của tương tác nơtron với vật chất Các nơtron nhiệt có năng lượng

E trong vùng năng lượng từ 0 đến nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 eV (0 < E ≤ 0,1eV) Cácnơtron trung gian có năng lượng, E, trong vùng năng lượng lớn hơn 0,1eV đến nhỏhơn hoặc bằng 100 KeV (0,1 eV < E ≤ 100 KeV) Các nơtron nhanh có nănglượng, E, trong vùng năng lượng từ lớn hơn 100 KeV đến nhỏ hơn hoặc bằng 10MeV (100 KeV < E ≤ 10 MeV) Các lò phản ứng hạt nhân cũng được phân chiathành 3 loại lò khác nhau, tương ứng với các vùng năng lượng của đa số cácnơtron trong lò có khả năng gây ra các tương tác bị hấp thụ hay phân hạch nhiênliệu hạt nhân; tức là trên thực tế ta có lò phản ứng nơtron nhiệt, lò phản ứng nơtrontrung gian và lò phản ứng nơtron nhanh

1.1.1 Đặc điểm của nơtron nhiệt

Sau một số va chạm của quá trình chuyển động, các nơtron nhanh mất dầnnăng lượng, đến lúc nào đó đạt tới một năng lượng cân bằng với năng lượngchuyển động của các hạt nhân nguyên tử môi trường Sau khi đạt tới năng lượngcân bằng như vậy, các nơtron vẫn tiếp tục chuyển động và trong quá trình chuyểnđộng va chạm với các hạt nhân môi trường chúng hoặc sẽ mất năng lượng hoặc sẽthu thêm năng lượng Năng lượng của các nơtron khi đó được xác định từ sựchuyển động nhiệt của các hạt nhân môi trường Do đó, phân bố tốc độ (haythường được gọi là phổ nơtron) của các nơtron trong trạng thái cân bằng nhiệt vớicác hạt nhân môi trường được xác định theo quy luật Maxwell-Boltzmann (Hình1.2):

2 exp(

n v

n   [n/v] , (1.2)trong đó, n0 là mật độ tổng cộng của các nơtron, A là một hằng số:

) 3 / 2

2 ( 4

kT

m A

T nhiệt độ môi trường (ở nhiệt độ phòng thí nghiệm, T = 293,15K),

Trên Hình 1.2, ta thấy rằng cực đại của đường cong phân bố nơtron nhiệt(phổ nơtron nhiệt) tương ứng với tốc độ phổ biến nhất vp và tốc độ này được xácđịnh như sau:

m

kT v

dv

v dn

p 2 2200 , 0 / 0

) (







Từ đó, ta có thể xác định được tốc độ trung bình của nơtronv :

m

kT dv

v n

dv v vn v





2 8

) (

) (

dv v v v n dv

v

dv v

a

) (

) ( ) ( )

(

) ( )

Khi các tiết diện vi mô hấp thụ tuân theo quy luật “1/v”, tức là

v

const a

.

)

p

a a

v v

const v

ở tốc độ trung bình của nơtron  a a (v) Vì vậy, biểu thức (1.8) là rất hữu íchtrong tính toán vật lý lò phản ứng hạt nhân

Trong thực tế, năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít nănglượng trung bình chuyển động nhiệt của các phân tử môi trường Điều đó cho thấycác nơtron không thể đạt được sự cân bằng nhiệt với môi trường trong thực tế Tuynhiên, hàm phân bố năng lượng nơtron nhiệt (hay phổ nơtron nhiệt) rất gần vớihàm Maxwell với nhiệt độ nơtron Tn cao hơn nhiệt độ môi trường T Mối quan hệgiữa nhiệt độ nơtron Tn và nhiệt độ môi trường T được biểu thị như sau:

1.1.2 Đặc điểm của nơtron năng lượng trung gian (nơtron trung gian)

Nơtron nhanh do phân hạch hạt nhân nhiên liệu sinh ra được làm chậm dần(mất năng lượng) sau những lần va chạm liên tiếp với các hạt nhân môi trường.Giả sử rằng lò phản ứng hạt nhân đủ lớn để có thể bỏ qua sự rò nơtron ra bênngoài môi trường trong quá trình làm chậm, trong môi trường không có hiện tượnghấp thụ nơtron, và các hạt nhân môi trường cũng tương đối nặng (số khối lượng Atương đối lớn) thì mật độ thông lượng nơtron trung gian được biểu thị như sau:

 (E ) E B [n/(cm2.s] (1.10)

ở đây, B là một hằng số

Trong thực tế, ở vùng năng lượng trung gian các nơtron thường bị hấp thụhay tán xạ tương đối mạnh (có tính đột biến) nên người ta thường gọi là hiệntượng “cộng hưởng” Vì vậy, vùng năng lượng này còn được gọi là vùng “nănglượng cộng hưởng”, các nơtron trung gian - là các “nơtron cộng hưởng” và mật độthông lượng nơtron trung gia - là “phổ các nơtron cộng hưởng”

1.1.3 Đặc điểm của các nơtron nhanh

Khoảng 90% các nơtron sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân nhiên liệutrong lò phản ứng hạt nhân là các nơtron nhanh (100 KeV < E ≤ 10 MeV) vàthường được gọi là các “nơtron phân hạch” Trong các lò phản ứng nơtron nhanh,các nơtron nhanh gây ra các phản ứng phân hạch hạt nhân nhiên liệu Vì vậy, đốivới lò phản ứng nơtron nhanh, người ta không cần phải thiết kế để làm chậmnơtron Trái lại, đối với lò phản ứng nơtron trung gian hay lò phản ứng nơtronnhiệt, người ta cần thiết kế để các nơtron nhanh được làm chậm đến nơtron trunggian hay nơtron nhiệt tương ứng

E

(E)

Hình 1.3 Phổ nơtron trung gian

E T là năng lượng của nơtron nhiệt

là năng lượng trung bình của nơtron phân hạch

Phân bố năng lượng của các nơtron nhanh do phân hạch hạt nhân U-235sinh ra được biểu thị một cách gần đúng nhất với biểu thức bán thực nghiệm Watt(Hình 1.4):

S(E) AeE sh 2E,

 [n/MeV] (1.11)

trong đó, S(E) là số nơtron với năng lượng E trên một đơn vị năng lượng Hằng số

A được xác định từ điều kiện chuẩn hóa:

 

0

1 )

(E EdE MeV S

trong đó tổng động lượng và tổng động năng của hệ trước và sau va chạm giữa nơtron và hạt nhân môi trường không thay đổi Ví dụ:

Tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi, ký hiệu là e, có thể được chia thành haiphần: tiết diên vi mô tán xạ đàn hồi thế, ep, và tiết diện vi mô tán xạ đàn hồicộng hưởng, er.

a Tán xạ đàn hồi thế

Trong tán xạ đàn hồi thế, hiện tượng phản xạ sóng nơtron xảy ra từ bề mặt hạtnhân Tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi thế ở miền năng lượng thấp (tán xạ sóng s) códạng:

4)()

E E

E



trong đó, er(E r)là tiết diện vi mô đàn hồi cộng hưởng tại năng lượng cộnghưởng Er,  là độ rộng toàn phần nửa chiều cao của mức kích thích hạt nhân hợpphần (Hình 1.6).

Tiến diện vi mô tán xạ đàn hồi bằng tổng tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi thế,tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi cộng hưởng và số hạng giao thoa giữa hai loại tán xạđàn hồi này Tại đỉnh cộng hưởng thì er  epcòn tại vùng năng lượng xa cộnghưởng thì ngược lại, ep  er Ở lân cận đỉnh cộng hưởng, do hiện tượng giaothoa, các sườn của đỉnh cộng hưởng có dạng không đối xứng (Hình 1.7)

Tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi, e, hầu như không thay đổi trong khoảngnăng lượng của nơtron trên 1 eV Đối với đa số các hạt nhân, e cũng thay đổiyếu trong khoảng năng lượng của nơtron dưới 1 eV và trong vùng năng lượngnhiệt, trừ trường hợp của hạt nhân hydro Tiết diện vi mô tán xạ đàn hồi ecủa

hydro giảm theo quy luật 1/v và giảm 2 lần khi tăng năng lượng của nơtron từ Ep =0,025 eV đến 1 eV.

1.2.2 Tán xạ không đàn hồi (n,n’)

Nơtron nhanh do phân hạch hạt nhân sinh ra có khả năng kích thích các hạtnhân nặng và trung bình, ở những hạt nhân này mức năng lượng kích thích đầutiên có một giá trị rất thấp Ví dụ hạt nhân Fe-56 có mức năng lượng kích thíchđầu tiên là 0,84 MeV, vì thế khi va chạm với nơtron Fe-56 có thể bị kích thích lênmức năng lượng này và nơtron sẽ mất đi một phần lớn năng lượng của nó Quátrính tán xạ không đàn hồi đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm nănglượng của các nơtron nhanh trong lò phản ứng hạt nhân

Trong tán xạ không đàn hồi, hạt nhân được chuyển sang trạng thái kíchthích, do đó chỉ có các nơtron với năng lượng lớn hơn năng lượng kích thích củahạt nhân mới có thể tham gia phản ứng Như vậy, quá trình tán xạ không đàn hồi

là quá trình có ngưỡng với năng lượng ngưỡng:

1

E A

ie



Hình 1.8 Sự phụ thuộc của tiết diện vi mô tán

xạ không đàn hồi vào năng lượng nơtron

1.2.3 Hấp thụ nơtron, (n,b)

Phản ứng hấp thụ nơtron (n,b) là quá trình tương tác của nơtron với hạtnhân mà sau tương tác sinh ra một hạt mới b các phản ứng hấp thụ nơtron là cácquá trình (n,  ), (n,α), (n,2n), (n,β), và (n,f),…, trong đó (n,f) là phản ứng phân), (n,2n), (n,β), và (n,f),…, trong đó (n,f) là phản ứng phân), và (n,f),…, trong đó (n,f) là phản ứng phânhạch hạt nhân

Tiết diện vi mô hấp thụ nơtron acủa một hạt nhân bằng tổng của các tiếtdiện vi mô của các quá trình nói trên của hạt nhân:



  (1.20)

Bảng 1.1 cho các giá trị tiết diện vi mô tại năng lương nơtron 0,025 eV,trong đó t  a slà tiết diện vi mô toàn phần và s  e  ie là tiết diện vi môtán xạ Các hạt nhân 9Be và 12C chủ yếu xảy ra quá trình tán xạ đàn hồi khi tươngtác với nơtron, vì vậy các chất này thường được sử dụng làm chất làm chậmnơtron trong lò phản ứng hạt nhân 10B có tiết diện vi mô hấp thụ rất lớn đối vớinơtron, do đó nó thường được sử dụng làm các thanh điều khiển trong lò phản ứnghạt nhân Đối với hạt nhân 235U, tiết diện vi mô phân hạch rất lớn dành cho nơtron

vì vậy nó luôn được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân cho lò phản ứng

Bảng 1.1 Tiết diện vi mô các phản ứng (barns) tại năng lượng nơtron 0,025 eV

a Phản ứng bắt phóng xạ gamma (n,  )

Phản ứng bắt phóng xạ có xác suất rất lớn đối với nơtron nhiệt Khi hấp thụmột nơtron, hạt nhân có số khối lượng A biến thành hạt nhân đồng vị có số khốilượng A+1 Hạt nhân đồng vị mới tạo thành này có thể là bền hoặc không bền,nhưng cả hai trường hợp nó đều giải phóng ra năng lượng dưới dạng lượng tửgamma (  ) Quá trình này thường xảy ra đối với hạt nhân của chất làm chậmtrong lò phản ứng:

91 233

90 232 90 1

n       (1.23)

239 94 239

93 239

240 94

1 0

1

1

14 6

14 7

1

n    (1.24) 4

2

7 3

10 5

1

c Phản ứng (n,2n): Phản ứng hạt nhân loại này chỉ xảy ra với nơtron nhanh và với

xác suất nhỏ Nó không đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động của lò phản ứnghạt nhân

1.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân

Quá trình phân hạch hạt nhân có vai trò vô cùng quan trọng trong lò phản ứnghạt nhân Các đồng vị U235, U233 và Pu239 có khả năng phân hạch với cả nơtronnhanh và nơtron nhiệt Xác suất phân hạch của những hạt nhân này là lớn nhất đối

với nơtron nhiệt Các hạt nhân U238 và Th232 chỉ phân hạch với những nơtron nhanh(En > 1 MeV).

Phân hạch hạt nhân là sự gãy đôi của hạt nhân thành 2 mảnh, hai hạt nhânkhác được tạo thành Khi phân hạch hạt nhân, một số các nơtron mới được sinh ra

và chúng có khả năng gây ra sự phân hạch mới cho những hạt nhân khác Quátrình phân hạch xảy ra có sự tạo thành của một hạt nhân hơp phần Ví dụ:

n10U92235  U92236* La14757 Br3587  2 n10Q (1.25)

Năng lượng Q được toả ra trong quá trình phân hạch dưới dạng động năngcủa các nơtron và của các mảnh phân hạch, Q = Ef = 200 MeV

1.3.1 Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân

Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân được miêu tả dựa trên mẫu giọt hạtnhân, nghĩa là hạt nhân được xem như một giọt chất lỏng mang điện tích dương.Giọt chất lỏng này tồn tại do cân bằng giữa lực đẩy Coulomb của các proton vớilực hút hạt nhân của các nuclon (proton và nơtron) và sức căng bề mặt hạt nhân

Fđẩy = Hhúthạtnhân + Scăngbềmặt

Khi nơtron tương tác với hạt nhân, hạt nhân bị biến dạng dao động: từ dạng

hình cầu sang dạng có hai phần dạng quả lê nối với nhau Quá trình dao động kếtthúc bằng sự phân hạch hạt nhân, tức là chỗ nối bị đứt, và có 2 hạt nhân mới đượchình thành

Hạt nhân nhiên liệu, ví dụ U235, khi hấp thụ nơtron, trở thành một hạt nhânhợp phần U236 ; năng lượng kích thích tối thiểu E* của U236 bằng năng lượng liênkết B (E*  B) của nơtron trong hạt nhân đó

Hình 1.9 Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân

Điều kiện để phân hạch hạt nhân xảy ra là năng lượng kích thích E*

xuất hiện do sự tăng thế năng trong pha biến dạng hạt nhân, tức là khi diện tích vàsức căng bề mặt của hạt nhân tăng

* ,

ng

n E T B

Từ đó thấy rằng: nếu năng lượng liên kết B của nơtron trong hạt nhân hợp

phân hạch khi hấp thụ nơtron với năng lượng bất kỳ; còn nếu năng lượng liên kết

Trong bảng 1.2 ta thấy các hạt nhân 233

90

Th và 238

92

U có năng lượng liên kết

B nhỏ hơn năng lượng ngưỡng Eng và chúng sẽ chỉ phân hạch với nơtron có độngnăng bằng 1,2 MeV và 1 MeV trở lên tương ứng Các hạt nhân 233

92

U , 235

92

U , và239

94

Pu được gọi là các hạt nhân phân hạch Nói chung, các hạt nhân phân hạch vớimọi năng lượng của nơtron tương tác thường có số nơtron lẻ, còn các hạt nhân có

số nơtron chẵn thì phân hạch với ngưỡng năng lượng của nơtron tương tác

Bảng 1.2 Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B

đối với các hạt nhân phân hạch

Hạt nhân Eng, MeV hợp phầnHạt nhân B, MeV

232 90

90

233 92

92

235 92

239 94

92 233

91 233

90 232

93 239

92 238

240 94

và tích lũy các đồng vị hạt nhân có khả năng phân hạch mới Pu239 Đồng vị mới

U239 này cũng bị phân hạch trong lò phản ứng và đóng góp vào toàn bộ năng lượngđược giải phóng

1.3.2 Phản ứng phân hạch dây chuyền và nguyên tắc làm việc của lò phản ứng

hạt nhân

a Phản ứng phân hạch dây chuyền

Ta xem xét các điều kiện mà trong đó phản ứng phân hạch hạt nhân dâychuyền có thể xảy ra với nơtron nhiệt Đầu tiên ta xét một hệ thống lớn vô hạnđược tạo thành từ một hợp chất nhiên liệu hạt nhân (U235 + U238) và chất làm chậm(có thể là H2O, hay D2O, hay Be, hay graphit)

Một hạt nhân U235 phân hạch bởi một nơtron nhiệt, sẽ phát ra trung bình2,46 nơtron nhanh Để đơn giản, trên hình 2 giả thiết rằng trong một phân hạch hạtnhân sẽ xuất hiện 3 nơtron Khi đó, một nơtron ban đầu (thế hệ thứ nhất) gây phânhạch và sinh ra 3 nơtron (thế hệ thứ 2); thế hệ thứ hai gây ra phân hạch hạt nhân vàsinh ra 9 nơtron (thế hệ thứ 3); và cứ thế số nơtron sinh ra trong mỗi thế hệ tănglên rất nhanh Đó là sự phát triển của phản ứng phân hạch dây chuyền

Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng phân hạch dây chuyền thực hiệntrong môi trường gồm có nhiên liệu hạt nhân (urani, plutoni, ) các chất làm chậm(nước, berili, graphit, ) các chất hấp thụ (bo, ), các chất tải nhiệt (nước, natrilỏng, khí heli, ) và vật liệu cấu trúc khác (nhôm, thép, ) Sau khi phân hạch, cácnơtron nhanh sinh ra, chúng va chạm với tất cả các chất có trong lò phản ứng vớicác tương tác tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, hấp thụ và phân hạch hạt nhân.Các chất làm chậm có tác dụng giảm năng lượng nơtron nhanh do các quá trìnhtán xạ đàn hồi và không đàn hồi Những nơtron nhanh nào may mắn không bị tán

xạ làm mất năng lượng, thì có thể tác động với hạt nhân nhiên liệu và gây ra phảnứng phân hạch (gọi là phân hạch với nơtron nhanh) Những nơtron, trong quá trìnhtương tác với chất làm chậm, bị mất năng lượng và trở thành nơtron trung gian haynơtron nhiệt thì có thể gây ra phân hạch hạt nhân Khi đó phản ứng phân hạch dâychuyền được thực hiện nhờ nơtron trung gian hay nơtron nhiệt Do xác suất phânhạch hạt nhân nhiên liệu với nơtron nhiệt lớn hơn hàng trăm lần xác suất phânhạch hạt nhân với nơtron nhanh, vì vậy người ta thường cấu tạo môi trường nhânnơtron (vùng hoạt lò phản ứng) có chất làm chậm để làm chậm nơtron đến năng

lượng nhiệt Ở đây, ta xét lò phản ứng với nơtron nhiệt.

Giả sử, trong môi trường nhân nơtron lớn vô hạn, ta có n 1 nơtron nhanh ban đầu

 Thừa số  là hệ số nhân với nơtron nhanh, nghĩa là số nơtron nhanh sinh

ra sau khi có một hạt nhân phân hạch với nơtron nhanh ban đầu Như vậy

sau khi phân hạch với nơtron nhanh, ta có: n 1 nơtron nhanh.

 n1 nơtron nhanh này có thể bị hấp thụ cộng hưởng bởi U238 hay các chất

hấp thụ khác trong quá trình làm chậm Gọi p là xác suất để nơtron không

bị hấp thụ cộng hưởng Do đó, sau quá trình làm chậm đến năng lượng

nhiệt, chỉ còn lại n 1 p nơtron nhiệt Số nơtron nhiệt này tiếp tục khuếch

tán trong môi trường cho đến khi nó có thể bị hấp thụ bởi nhiên liệu hạtnhân, chất làm chậm hay các vật liệu khác

 Thừa số f là hệ số sử dụng nhiệt, nghĩa là xác suất để nơtron bị hấp thụ bởi nhiên liệu hạt nhân Như vậy trong số n 1 p nơtron nhiệt chỉ có n1 pf nơtron bị hấp thụ trong nhiên liệu hạt nhân.

 Gọi  là là số nơtron nhanh sinh ra do một nơtron nhiệt bị hấp thụ trong

trình ta có n 2 = n 1 pf nơtron nhanh ở thế hệ tiếp theo.