Chương 10 Năng lượng hạt nhân

• Vai trò của nơtrônPhản ứng bắt bức xạ: Nơtrôn bắn vào hạt nhân bia và bị bắt Phản ứng phân hạch: Là một loại phản ứng hết sức đặc biệt, dùng nơtrôn bắn vào hạt nhân... Phản ứng phân

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

+ +

• α phóng xạ từ Radi va chạm với Be của hỗn hợp tạo thành phản ứng

9 Be ( ,n) α 12C

I Nơtrôn:

Nguồn nơtrôn có độ phóng xạ 107 nơtrôn/s

• Nguồn khác, Eγ =1,76 MeV 9 8

( ,n)

4 Be γ 4 Be

• 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

Phản ứng phân hạch: Là một loại phản

ứng hết sức đặc biệt, dùng nơtrôn bắn vào hạt nhân

I Phản ứng phân hạch

Strassman

hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng nơtrôn

I Phản ứng phân hạch

Strassman

hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng nơtrôn

phát ra 0 đến 10 MeV

liên tiếp

1 235 236 144 89 1 + * + + 3

36Kr 37Rb 38Sr 39Y

Hai mảnh vở phóng xạ β− liên tiếp:

( bền)

140 140 140 140

38Sr 39Y 40Br

(bền)

• Năng lượng Q giải phóng từ phản ứng phân

hạch vào khoảng 200 MeV Năng lượng này được phân bố như sau:

MeV

- Năng lượng của tia β− và γ ≈ 15 MeV

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 92238U

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 (D2O), 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)

1 H +1 H →2 He +0 n d ( - ) , Q = 17,59 MeV t

1 H +1 H →2 He +0 n d ( - ) , Q = 3,27 MeV d

1 H +1 H →1 H +1 H d ( - ) , Q = 4,03 MeV d

Tokamak

1 PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1 1 2

1 H +1 H → 1 H e + + + υ

1H +1 H → 2He + γ

4 H → H + 2 e+ + 2 υ + 2 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

2 He +2 He → 2He + 21 H

1 12 13

8 O → 7 N e + ++ υ

Chu trình các bon (Chu trình Bethe )

7 N → 6 C e + + + υ

1 H + 6 C → 7 N + γ

1H + 7 N → 6 C + 2He

4 H → He + 2 e+ + 2 υ + 3 γ

Năng suất tỏa nhiệt

g(J/kgs)

(x10 6 K)

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