LUẬN văn sư PHẠM vật lý PHẢN ỨNG hạt NHÂN và ỨNG DỤNG

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương pháp tổng hợp lý thuyết về hạt nhân, phản ứng hạt nhân, nguyên tắc hoạt động của

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Văn Tiến

Mã số SV: 1090293

Lớp: Sư phạm Vật Lý – Tin học Khóa: 35

Cần Thơ, năm 2013

MỤC LỤC

Trang

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 4

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 4

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 4

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

4.1 Phương pháp nghiên cứu 4

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài 4

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5

Phần NỘI DUNG Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN 1.1 LỊCH SỬ TÌM RA CẤU TẠO HẠT NHÂN 6

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN 6

1.2.1 Điện tích hạt nhân 6

1.2.2 Số khối 7

1.2.3 Khối lượng hạt nhân 7

1.2.4 Bán kính hạt nhân nguyên tử 7

1.2.5 Spin và mômen từ của hạt nhân 8

1.2.6 Đồng vị và đơn vị khối lượng nguyên tử 9

1.2.6.1 Chất đồng vị 9

1.2.6.2 Đơn vị khối lượng nguyên tử 10

1.3 ĐỘ HỤT KHỐI 10

1.4 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN 10

1.5 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỰC HẠT NHÂN 12

Chương 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 2.1 KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 13

2.2 TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 14

2.3 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 15

2.3.1 Định luật bảo toàn số khối 15

2.3.2 Định luật bảo toàn điện tích 15

2.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần 15

2.3.4 Định luật bảo toàn xung lượng 16

2.3.5 Định luật bảo toàn mômen động lượng toàn phần 16

2.3.6 Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ 16

2.3.7 Định luật bảo toàn spin đồng vị 17

2.4 NƠTRON VÀ PHẢN ỨNG ĐẶC TRƯNG CỦA NƠTRON 17

2.4.1 Lịch sử phát hiện nơtron 17

2.4.2 Phương pháp sản sinh nơtron 17

2.4.3 Khối lượng của nơtron 18

2.4.4 Thời gian sống, chu kỳ bán rã của nơtron 18

2.4.5 Các nguồn nơtron 18

2.4.6 Các phản ứng hạt nhân do nơtron gây ra 18

2.5 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 19

2.5.1 Phản ứng phân hạch 19

2.5.1.1 Hiện tượng phân hạch 19

2.5.1.2 Cơ chế phân hạch 21

2.5.1.3 Điều kiện phân hạch 21

2.5.1.4 Các bức xạ trong quá trình phân hạch 23

2.5.1.5 Đặc điểm của phản ứng phân hạch 23

2.5.1.6 Phản ứng dây chuyền 24

2.5.1.7 Điều kiện phản ứng dây chuyền 24

2.5.1.7.1 Điều kiện phản ứng dây chuyền 24

2.5.1.7.2 Điều khiển phản ứng dây chuyền 25

2.5.1.8 Năng lượng phân hạch 25

2.5.2 Phản ứng nhiệt hạch 26

2.5.2.1 Phản ứng nhiệt hạch 26

2.5.2.2 Điều kiện duy trì phản ứng nhiệt hạch 27

2.5.2.3 Nhiên liệu nhiệt hạch 28

2.5.2.4 Điều khiển phản ứng nhiệt hạch 28

2.5.2.4.1 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển 28

2.5.2.4.2 Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển 28

2.5.2.4.3 Các phương pháp hợp nhân 29

2.5.2.4.3.1 Phương pháp hợp nhân lạnh 29

2.5.2.4.3.2 Phương pháp hợp nhân ấm 29

2.5.2.4.3.3 Tổng hợp nhiệt hạch bằng lazer 30

2.5.2.5 Phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên 30

2.5.2.6 Năng lượng nhiệt hạch 31

Chương 3: ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 3.1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 33

3.1.1 Sơ lượt về quá trình phát triển của lò phản ứng hạt nhân 33

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân 33

3.1.3 Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân 34

3.1.3.1 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân 34

3.1.3.2 Nguyên tắc thiết của lò phản ứng hạt nhân 34

3.1.3.3 Cấu tạo chi tiết từng bộ phận của lò phản ứng 35

3.1.3.3.1 Thanh nhiên liệu 35

3.1.3.3.2 Chất làm chậm 36

3.1.3.3.3 Chất phản xạ 36

3.1.3.3.4 Chất truyền nhiệt 36

3.1.3.4 Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân 36

3.1.3.5 Chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân 36

3.1.3.6 Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân 37

3.1.3.7 Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân 37

3.1.4 Các loại lò phản ứng hạt nhân 37

3.1.4.1 Lò khí 37

3.1.4.2 Lò nước nặng 38

3.1.4.3 Lò nước nhẹ 39

3.1.4.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh 39

3.2 NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 41

3.2.1 Nguyên tắc thiết kế nhà máy 41

3.2.2 Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân 42

3.2.3 Nhiên liệu hạt nhân 43

3.2.3.1 Quá trình chuẩn bị nhiên liệu 44

3.2.3.2 Chu trình nhiên liệu 44

3.2.4 Nguyên tắc hoạt động và phân loại nhà máy điện hạt nhân 45

3.2.4.1 Nguyên tắc hoạt động của nhà máy điện hạt nhân 45

3.2.4.2 Phân loại nhà máy điện hạt nhân 46

3.2.4.2.1 Nhà máy sử dụng lò nước sôi 46

3.2.4.2.2 Nhà máy sử dụng lò nước áp lực (PWR) 48

3.2.4.2.3 Nhà máy sử dụng lò nước áp lực (VVER) 50

3.2.4.2.4 Nhà máy sử dụng lò nước nặng 51

3.3 VŨ KHÍ HẠT NHÂN 52

3.3.1 Sơ lược về vũ khí hạt nhân 52

3.3.1.1 Khái niệm vũ khí hạt nhân 52

3.3.1.2 Lịch sử phát triển vũ khí hạt nhân 52

3.3.1.3 Các loại vũ khí hạt nhân 53

3.3.2 Đặc điểm của các loại vũ khí hạt nhân 54

3.3.2.1 Bom nguyên tử (bom A) 54

3.3.2.1.1 Lịch sử phát minh bom nguyên tử 54

3.3.2.1.2 Điều kiện chế tạo bom A 55

3.3.2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của bom A 55

3.3.2.1.4 Sức hủy diệt của bom A 57

3.3.2.2 Bom khinh khí (bom H) 58

3.3.2.2.1 Lịch sử phát minh bom khinh khí (bom H) 58

3.3.2.2.2 Điều kiện chế tạo khinh khí (bom H) 58

3.3.2.2.3 Nguyên tắc hoạt động của bom khinh khí (bom H) 59

3.3.2.2.4 Sức hủy diệt của bom khinh khí (bom H) 61

3.3.2.2.5 Các vụ thử bom khinh khí (bom H) 62

3.3.2.2.5.1 Vụ thử nghiệm của Mỹ 62

3.3.2.2.5.2 Vụ thử nghiệm của Nga 63

3.3.2.2.5.3 Vụ thử nghiệm của Trung quốc 64

3.3.2.3 Bom nơtron (bom N) 66

3.3.2.3.1 Lịch sử phát minh bom nơtron (bom N) 66

3.3.2.3.2 Các đặc điểm của bom nơtron (bom N) 67

Phần KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người đã đưa những thành tựu của khoa học kĩ thuật ứng dụng vào sản xuất, công nghệ nhằm phuc vụ cho cuộc sống con người ngày càng tiến bộ hơn Trong đó, vật lý học đã góp phần không nhỏ cho

sự phát triển chung của nền khoa học hiện nay Nó mang tính thiết thực gắn liền với công việc phát triển khoa học kĩ thuật của đất nước, trong đó vấn đề hạt nhân cũng được nhắc đến khá nhiều và là một phần quan trọng để đánh giá sự tiến bộ của một quốc gia

cũng như tầm ảnh hưởng của quốc gia đó trong khu vực và trên toàn thế giới

Khoảng đầu thế kỉ 20, với sự phát triển vượt bậc của ngành hạt nhân nguyên tử, các cường quốc trên thế giới đã ứng dụng nó vào các lĩnh vực khoa học nhằm phục vụ cho cuộc sống của con người và trong đó quan trọng nhất có lẽ chính là ứng dụng phản ứng hạt nhân để sản xuất điện hạt nhân và sản xuất các loại vũ khí phục vụ cho chiến tranh và bảo vệ an ninh quốc phòng Ngoài ra nó cũng còn ứng dụng trong một số các lĩnh vực khác như y tế, công nghiệp

Với sự đam mê nghiên cứu về hạt nhân và ứng dụng của nó từ lúc còn học phổ thông và khi lên đến giảng đường Đại học tôi lại càng thích thú hơn với những vấn đề về hạt nhân Tìm hiểu về vấn đề này không chỉ để mở rộng sự hiểu biết, tiếp cận với các vấn đề thực tế của thời đại mà còn giúp tôi có được những kiến thức cơ bản để sau này truyền thụ cho học sinh tốt hơn, vì hạt nhân là một phần không thể thiếu trong chương trình vật lí phổ thông Xuất phát từ những điều nói trên nên tôi quyết định chọn đề tài

nghiên cứu “ Phản ứng hạt nhân và ứng dụng”

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu chi tiết về phản ứng hạt nhân, các loại phản

ứng hạt nhân, ứng dụng nó trong các lĩnh vực khoa học kĩ thuật và trong đời sống thực tiễn

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Ở đây tôi chỉ sưu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợp một cách có hệ thống các kiến thức về vấn đề phản ứng hạt nhân và trong luận văn này tôi chỉ nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về phản ứng hạt nhân và các ứng dụng của phản ứng hạt nhân mà chưa có điều kiện nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương

pháp tổng hợp lý thuyết về hạt nhân, phản ứng hạt nhân, nguyên tắc hoạt động của nhà máy điện hạt nhân và cách chế tạo các loại bom hạt nhân

4.2 PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Tài liệu tham khảo: sách, bài giảng, luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ sách báo và internet

- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các bạn sinh viên

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

- Bước 2: Tìm các tài liệu có liên quan đến đề tài và đọc tài liệu, nghiên cứu tài liệu, tham khảo các ý kiến từ thầy cô và bạn bè

- Bước 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn

- Bước 4: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa

- Bước 5: Viết hoàn chỉnh đề tài và nộp cho giáo viên hướng dẫn

Phần NỘI DUNG Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN

1.1 LỊCH SỬ TÌM RA CẤU TẠO HẠT NHÂN

Từ cuối thế kỉ 19, đầu thế kỉ 20 sau thí nghiệm tán xạ hạt  lên nguyên tử, Rutherford đã xây dựng mẫu “hành tinh nguyên tử” từ đó đưa ra khái niệm hạt nhân, sau

đó Rutherford lại phát hiện ra proton (p) có điện tích nguyên tố dương (+e) khối lượng lớn hơn electron hàng nghìn lần

Năm 1930, Bohr nhận thấy một số nguyên tố nhẹ khi bắn vào chùm hạt  cho một bức xạ đâm xuyên rất mạnh Năm 1932, Chadwick gợi ý rằng đó là những hạt vật chất giống như proton nhưng không mang điện và ông gọi nó là nơtron (n)

Từ các kết quả lý thuyết và thực nghiệm của các nhà bác học Cho đến nay người

ta thừa nhận: Hạt nhân nguyên tử là một hệ gồm các proton và các nơtron Proton và

nơtron có tên chung là nucleon

Mô hình cấu trúc nguyên tử Hiđrô Mô hình cấu trúc nguyên tử Nitơ

Hình 1.1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

- Proton ký hiệu p, mang điện tích nguyên tố +e

- Nơtron ký hiệu n, không mang điện

Các nucleon liên kết với nhau trong hạt nhân để tạo thành hạt nhân bằng một lực

gọi là lực hạt nhân Bản chất tương tác giữa các hạt nucleon là tương tác mạnh Đây là

một phát hiện mới của các nhà bác học ở thời kì đó Trước đó, người ta chỉ biết hai loại

tương tác cơ bản của vật chất là tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ Hai tương tác

này không giải thích nổi sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử Trong nghiên cứu các hiện tượng phân rã phóng xạ và biến đổi của các hạt nhân, người ta còn phát hiện thêm một

loại tương tác mới nữa của vật chất là tương tác yếu Như vậy, cho đến thời kỳ này

người ta đã biết bốn loại tương tác cơ bản của vật chất là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu Song song với việc nghiên cứu hạt nhân nguyên tử, người ta còn phát hiện ra các hạt vi mô khác ngoài proton và nơtron Các hạt này cũng tương tác với nhau theo các tương tác nói trên Từ đó tách ra hai nghành vật lý gần nhau, đó là vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN

1.2.1 Điện tích hạt nhân

- Điện tích hạt nhân là tổng điện tích của các proton trong hạt nhân Proton mang điện tích là 1+, nếu hạt nhân có Z proton thì điện tích hạt nhân bằng Z+ và số đơn vị điện tích hạt nhân bằng Z

- Nguyên tử trung hòa về điện nên số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử Vậy trong nguyên tử :

Số đơn vị điện tích hạt nhân Z = số proton = số electron

Ví dụ : Số đơn vị điện tích hạt nhân của nguyên tử oxi là 8, vậy nguyên tử oxi có

8 proton và 8 electtron

Điện tích của hạt nhân là một đặc trưng cơ bản, xác định tính chất của nguyên

tố Điện tích Z của hạt nhân (trong các đơn vị electron hay proton) lấy các giá trị từ

0103; nơtron có Z=0, hạt nhân hiđrô có Z=1; hêli có Z=2; menđêlêvi có Z=101; nêbôli có Z =102…

1.2.2 Số khối

- Số khối (kí hiệu là A) là số nucleon của hạt nhân, là tổng số hạt proton (kí hiệu

là Z) và tổng số hạt nơtron (kí hiệu là N) của hạt nhân đó:

Z là số proton trong nguyên tử ( nguyên tử số)

- Số đơn vị điện tích hạt nhân Z và số khối A đặc trưng cho hạt nhân và cũng đặc trưng cho nguyên tử, vì khi biết Z và A của một nguyên tử sẽ biết được số proton, số electron và cả số nơtron trong nguyên tử đó (N = A – Z)

Ví dụ : Nguyên tử Natri (1123Na) có A = 23 và Z = 11, suy ra nguyên tử Na có 11 proton, 11 electron và 12 nơtron

Cần chú ý rằng điện tích và số khối luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn điện tích và định luật bảo toàn số khối trong mọi biến đổi của hạt nhân cũng như trong các phản ứng hạt nhân

1.2.3 Khối lượng hạt nhân

Khối lượng hạt nhân mhn bằng khối lượng của nguyên tử mnt trừ đi khối lượng

Zme của Z electron

m hn m ntZm e (với me là khối lượng của electron)

Do Zme rất nhỏ so với mnt nên không đòi hỏi chính xác lắm ta có thể coi

mhnmnt Như vậy khối lượng của hạt nhân có thể xem là khối lượng của nguyên tử

Việc đo trực tiếp khối lượng hạt nhân rất khó bởi vì ta phải tách tất cả các electron ra khỏi nguyên tử Nguyên tắc đó là phải ion hóa nguyên tử rồi đo khối lượng, sau đó tính toán khối lượng của hạt nhân khi biết khối lượng của nguyên tử

Có rất nhiều phương pháp được dùng để xác định khối lượng của hạt nhân như:

- Phương pháp phối phổ kế

- Phương pháp phân tích năng lượng của các phản ứng hạt nhân

- Phương pháp phân tích dãy phân rã 

- Phương pháp phân tích dãy phân rã  v.v…

1.2.4 Bán kính hạt nhân nguyên tử

Do hạt nhân là một hạt vi mô tuân theo các định luật của vật lý lượng tử nên vấn

đề xác định kích thước hạt nhân không đơn giản Những quan niệm đầu tiên về kích thước hạt nhân đã được Rutherford nêu ra trên cơ sở nghiên cứu sự tán xạ của hạt Theo

ông thì hạt nhân có thể coi như có dạng hình cầu với bán kính cỡ 10-12 cm Cho tới ngày nay có nhiều phương pháp xác định và cho nhiều kết quả khác nhau nhưng tất cả các phương pháp đều cho cùng một bậc của kích thước hạt nhân Một số phương pháp xác định bán kính hạt nhân là:

- Xác định R theo năng lượng các  phóng xạ đối với các hạt nhân phóng xạ

- Xác định R theo phương pháp phân tích công thức bán thực nghiệm về khối lượng và năng lượng liên kết của hạt nhân

- Xác định R bằng nghiên cứu bức xạ Rơnghen của các nguyên tử mezon

- Xác định R bằng phương pháp nghiên cứu sự tán xạ của các electron nhanh lên các hạt nhân

- Xác định R bằng phương pháp nghiên cứu sự tán xạ của các nơtron nhanh lên các hạt nhân

Phương pháp xác định trực tiếp là phương pháp tán xạ của Rutherford Sử dụng công thức tán xạ để đo kích thước gần đúng của hạt nhân Bằng cách đo tiết diện tán xạ người ta cũng đo được bán kính hạt nhân Thực nghiệm cho biết hạt nhân có dạng hình cầu và bán kính của nó chỉ phụ thuộc vào số nucleon theo công thức sau:

3 1

A r

1.2.5 Spin và mômen từ của hạt nhân

Một đặc trưng quan trọng của nucleon là có spin (mômen động lượng riêng) Ta

đã biết hạt nhân được cấu tạo bởi các proton và nơtron

Các proton và nơtron là các hạt fermion (tức là hạt có spin bán nguyên) Spin của proton và của nơtron bằng

2



Cũng giống như electron trong nguyên tử, các nucleon chuyển động trong hạt nhân, chuyển động tương đối của chúng trong hạt nhân được đặc trưng bởi mômen quỹ đạo có giá trị lượng tử hóa Tổng mômen quỹ đạo của các nucleon và spin của chúng là spin của hạt nhân

Thực nghiệm cho thấy spin của hạt nhân phụ thuộc vào số khối A Hạt nhân có

số khối A chẵn thì có spin nguyên (0, , 2  , 3 …) Hạt nhân có số khối A lẻ thì có spin

2

3 , 2

của electron hóa trị Thế nên năng lượng E chỉ nhận một số giá trị gián đoạn Số giá trị này phụ thuộc vào trị số spin của hạt nhân Khoảng cách giữa các mức năng lượng tùy thuộc vào mômen từ hạt nhân, vì hạt nhân có hai loại hạt là proton mang điện dương nên

có mômen từ quỹ đạo Hạt nơtron không mang điện, nên chỉ có mômen từ spin Như vậy mômen từ của hạt nhân bằng tổng mômen từ spin của tất cả hạt nucleon cộng với tổng mômen từ quỹ đạo của các proton:

i

p Si Z

i

p Li

1 )

1

) (

1

) (

Mômen từ của hạt nhân được đo bằng manheton hạt nhân hn Thực nghiệm cho biết mômen từ của proton và nơtron là: p  2 , 79hn ; n   1 , 9103hn

Ðơn vị mômen từ hạt nhân có tên là magheton hạt nhân có giá trị bằng:

2 22 1840

10 1840

1

e

e p

+ Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số proton Z nhưng khác nhau số nơtron N

(do đó khác số A) gọi là các đồng vị ( chúng ở cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn)

Ví dụ: đồng phân của triti 1H3 là 2H3

+ Các hạt nhân có số nơtron N bằng nhau gọi là các nhân đồng nơtron

+ Hai hạt nhân đồng phân (cùng A) mà có số hạt nhân Z của hạt nhân này bằng

số nơtron N của hạt nhân kia và ngược lại gọi là hạt nhân đối xứng gương

Ví dụ: 1H3 và 2H3 ; 3Li7 và 4Be7 ; 12Mg25 và 13Al25

Như vật, ta thấy rằng các hạt nhân khác nhau chỉ là các tổ hợp của các số proton

Z và số nơtron N Một tổ hợp nhất định của số proton Z và số nơtron N được gọi là một nuclid Vậy một hạt nhân chính là một nuclid

1.2.6.2 Đơn vị khối lượng nguyên tử

Trong vật lý nguyên tử và hạt nhân, người ta thường dùng một đơn vị khối lượng riêng gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, ký hiệu là u

Một đơn vị khối lượng nguyên tử u bằng

10.66058,110

.66058,11212

Trong vật lý hạt nhân và hạt cơ bản ngoài các đơn vị trên người ta còn dùng đơn

vị đo bằng đơn vị năng lượng chia cho c2 (c là vận tốc ánh sáng trong chân không), cụ thể người ta dùng đơn vị 2

1,67495.10-27 1,67265.10-273,3325.10-276,6444.10-27

939,5 938,26 1875,5 3726,2

1.3 ĐỘ HỤT KHỐI

Ta biết hạt nhân được cấu tạo bởi Z proton và N nơton Khi tạo thành hạt nhân,

người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của tổng các nucleon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó Sự sai lệch về khối lượng

đó gọi là độ hụt khối lượng (m):

m = Zmp+ (A-Z)mn - mhn

Trong đó: mp , mn lần lượt là khối lượng của proton và nơtron

Như vậy, khi tổng hợp Z proton và N nơtron để tạo thành hạt nhân dư ra một khối lượng m Khối lượng m này tương đương với một năng lượng E giải phóng

ra được tính theo công thức Einstein: E = m.c 2

1.4 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Khi tách rời các proton và các nơtron ra khỏi hạt nhân, cần phải cung cấp cho hạt

nhân một năng lượng đúng bằng E nói trên để cho tương ứng với việc tổng khối lượng của các nucleon tăng lên một lượng m bù vào độ hụt khối khối lượng nói trên khi ta tổng hợp

Năng lượng cần thiết để giữ chặt các nucleon trong hạt nhân gọi là năng lượng liên kết hạt nhân (hay được định nghĩa là năng lượng có giá trị bằng công cần thiết để phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng biệt)

Năng lượng liên kết hạt nhân (ký hiệu W) có giá trị bằng và ngược dấu với năng lượng cung cấp từ ngoài vào E để phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ

W = -E= -mc2 =       2

c m Z A Zm

Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng đối với một nucleon và ta gọi tên nó là năng lượng liên kết riêng hay năng lượng liên kết trung bình (năng lượng liên kết ứng với 1 nucleon)

A W

Dựa vào đồ thị ta thấy:

+ Với những hạt nhân nhẹ (A = 110) năng lượng liên kết riêng tăng từ 110 Mev

+ Với những hạt nhân nặng (A = 140240) năng liên kết riêng giảm dần nhưng rất chậm từ 87 Mev

+ Với những hạt nhân trung bình (A = 40120) năng lượng liên kết trung bình

có giá trị vào khoảng 78,6 Mev giá trị này tương đối khá lớn (cực đại) nên hạt nhân trung bình là hạt nhân bền vững

Giá trị từ 78 Mev được xem là giá trị bão hòa, khi đó mỗi nucleon chỉ tương tác với một nucleon lân cận

Trong các hạt nhân nặng thì năng lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số proton trong hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb giữa các proton mang điện cũng tăng lên

làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống, tương tự các hạt nhân nhẹ năng lượng liên kết lại tăng bởi vì lúc này số proton trong hạt nhân giảm lên nên lực đẩy Cu-lông giữa các proton mang điện cũng giảm lên làm cho năng lượng liên kết bị giảm tăng lên, vì vậy có thể nói các hạt nhân nặng và nhẹ hơn kém bền vững hơn nghĩa là sự biến đổi các hạt nhân nặng cũng như các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình là một quá trình thuận lợi về mặt năng lượng Sự biến đổi này tạo ra một năng lượng khổng lồ

Đường cong năng lượng chứng tỏ về mặt năng lượng có hai phương pháp giải phóng năng lượng hạt nhân đó là phân chia các hạt nhân nặng hơn thành các hạt nhân nhẹ hơn và tổng hợp các hạt nhân nhẹ hơn thành các hạt nhân nặng hơn Hai loại phản ứng này đã được thực hiện trong thực tế đối với các hạt nhân nặng là phản ứng phân hạch và đối với các hạt nhân nhẹ là phản ứng nhiệt hạch (sẽ nghiên cứu ở chương sau)

1.5 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỰC HẠT NHÂN

Hạt nhân nguyên tử có cấu trúc khá bền vững Sự tồn tại của hạt nhân cũng hàm

ý là có một lực tương tác để giữ các nucleon ở cùng trong một vùng không gian nhỏ bé

đó Thực tế để thắng được lực đẩy tĩnh điện do các proton tác dụng lên nhau thì lực trong hạt nhân phải là lực hút rất mạnh, nó cũng không phải là lực hấp dẫn giữa các nucleon vì lực này rất yếu không đáng kể Điều đó chứng tỏ các nucleon trong hạt nhân phải hút nhau bằng những lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân

Lực hạt nhân phức tạp hơn nhiều so với lực hấp dẫn và lực điện từ Nó không thể biễu diễn bằng một biểu thức đơn giản giống như định luật Cu-lông đối với lực điện, mặc dù không có một biểu thức chính xác cho lực hạt nhân nhưng chúng ta vẫn có thể xét một số đặc điểm của nó:

+ Vì các nuclon là proton (p) và nơtron (n) nên khi chúng tương tác với nhau chỉ

có thể cùng loại hoặc khác loại, tức là chỉ (p-p), (n-n), (p-n) mà thôi Thực nghiệm chứng tỏ rằng tương tác hạt nhân giữa các cặp đó là hoàn toàn như nhau Hay nói cách

khác, lực hút hạt nhân có đặc điểm không phụ thuộc vào điện tích

+ Lực hạt nhân có bán kính tác dụng rất ngắn Hai nucleon chỉ tác dụng với

nhau khi chúng cách nhau một khoảng r < 10-15

m Ngoài khoảng này, lực hạt nhân giảm nhanh xuống đến giá trị không

+ Lực hạt nhân có đặc tính bão hòa: mỗi nucleon chỉ tương tác với một số

nucleon khác lân cận chứ không tương tác với tất cả các nucleon có trong hạt nhân

+ Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin của các nucleon, phụ thuộc vào sự định

hướng tương hỗ của spin các hạt tương tác

Từ đó cho thấy tương tác hạt nhân là tương tác rất mạnh, về bản chất khác hẳn với tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ

Chương 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

2.1 KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đó xảy ra tương tác mạnh của hạt nhân với một hạt nhân khác hoặc với một nucleon ở khoảng cách nhỏ khoảng fm, qua quá trình này hạt nhân nguyên tử thay đổi trạng thái ban đầu (thành phần, năng lượng ) hoặc tạo ra hạt nhân mới hay các hạt mới và giải phóng ra năng lượng

Ví dụ: bắn phá hạt nhân nguyên tử liti 6Li bằng hạt hyđrô 2H được 2 nguyên

tử heli 4He và giải phóng 22,4 MeV

6

Li + 2H → 2 4

He + 22,4 MeV Lượng năng lượng giải phóng được tính theo định luật bảo toàn năng lượng - khối lượng, phương trình: E = m.c2

mLi = 6,015 u, mHe = 4,0026 u và mH = 2,014 u chênh lệch khối lượng Δm = mLi + mH - 2.mHe = 0,0238 u

→ năng lượng giải phóng = năng lượng chênh lệch ΔE = Δm.c2 = 22,4 MeV Hạt nhân của các nguyên tố không phóng xạ rất bền vững, muốn làm vỡ chúng hoặc thay đổi trạng thái chỉ có cách dùng các hạt khác bắn từ ngoài vào Trước đây do kĩ thuật chưa phát triển nên người ta dùng các hạt làm đạn bắn từ ngoài vào là những hạt

có sẵn trong tự nhiên do các nguồn phóng xạ tạo ra (hạt  chẳng hạn ), bắn vào một số ít hạt nhân có hàng rào thế Cu-lông thấp Ngày nay, nhờ các máy gia tốc hiện đại tạo ra các hạt đạn có năng lượng cao nên hầu như có thể bắn phá được bất kì hạt nhân nào bằng bất cứ hạt đạn nào khác

Năm 1919, Rutherford đã dùng hạt  có năng lượng 7,7 Mev bắn phá hạt nhân Nitơ (147N) thu được hạt nhân Oxi (178O) và một proton 11P Phương trình của phản ứng này là :

24He147N (189F) 178O11P

Khi hạt nhân  đập vào hạt nhân Nitơ (147N) thì nó lọt vào trong hạt nhân và tạo thành một hạt nhân không bền vững 189F(đồng vị của fluo) Hạt nhân này phân rã ngay thành proton 1P

1 và một đồng vị của Oxi (178O)

Như vậy có thể hình dung phản ứng hạt nhân xảy ra khi một hạt làm đạn ( , n, p hay một hạt nhân khác) đi vào miền tác dụng của lực hạt nhân ở khoảng cách 10-15

m Trong quá trình phản ứng có sự sắp xếp lại điện tích và các nucleon của hạt nhân và các hạt khác, do đó xuất hiện các hạt nhân mới

Phương trình phản ứng hạt nhân có thể viết như sau:

a+AB+b

Ngoài ra nó còn được viết dưới dạng : A(a,b)B Cách viết này có được là do nhiều khi người ta chỉ chú ý tới những hạt bắn vào và những hạt mới phát ra Do đó, người ta biểu diễn là (a,b) hay viết cụ thể là (p,p); ( ,n); (n,2n);

Khi hạt nhân a tương tác với hạt nhân A phản ứng có thể xảy ra nhiều cách khác nhau Người ta phân thành 3 loại đó là: phản ứng hạt nhân thực sự, khuếch tán không đàn hồi, khuếch tán đàn hồi

- Phản ứng hạt nhân thật sự là phản ứng trong đó các tính chất bên trong và thành phần của hạt nhân bia sẽ thay đổi, đồng thời có hạt nhân mới bay ra Hay nói cách khác

đó là quá trình trong đó các hạt nhân sau phản ứng b và B khác các hạt trước phản ứng a

và A:

a+AB+b hay A(a,b)B

- Khuếch tán không đàn hồi là tương tác trong đó hạt bay ra cùng loại với hạt bay vào hạt nhân bia, nhưng khi hạt bay ra thì hạt nhân trong bia ở trạng thái kích thích

a+AA+a/ hay A(a,a/)A

- Khuếch tán đàn hồi là phản ứng trong đó hạt bay vào và hạt bay ra là như nhau Động năng của các hạt sau khuếch tán thay đổi phụ thuộc vào góc bay của chúng:

a+Aa+A hay A(a,a)A

Người ta gọi mỗi loại phản ứng là một kênh phản ứng Trong mỗi kênh còn chia

ra kênh vào kênh ra Mô hình như sau:

Hình 2.1 Mô hình phản ứng hạt nhân

Như vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình khuếch tán đàn hồi, khuếch tán không đàn hồi và quá trình phản ứng hạt nhân thật sự Trong một số trường hợp, nếu không phải phân biệt rõ quá trình phản ứng hạt nhân thực với các quá trình khuếch tán ta dùng “phản ứng hạt nhân” để chỉ quá trình phản ứng hạt nhân thật sự

2.2 TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Khi ta dùng một chùm hạt  bắn vào bia hạt

nhân X thì không phải mọi hạt đều gây ra phản ứng, ta

chỉ có thể nói đến xác suất gây ra phản ứng Đại lượng

đo xác suất xảy ra phản ứng gọi là tiết diện hiệu dụng

của phản ứng hạt nhân (hay tiết diện hiệu dụng hạt

nhân)

Giả sử có chùm hạt  tới bia X Ta tưởng mỗi

hạt nhân X được gán cho một diện tích  theo hướng

vuông góc với phương tới của hạt  (hình vẽ) Diện

tích  này được gọi là tiết diện hiệu dụng, nghĩa là hạt

 lọt vào đó thì chắc chắn xảy ra phản ứng Hình 2.2 Tiết diện hiệu dụng

Bia có độ dày d đủ mỏng để không có hạt nhân nào bị che khuất

Gọi ni là số hạt đập vào bia, nlà số hạt đi vào các tiết diện hiệu dụng (tức có

Nd s

Nsd n

n P

Trong đó: N là số hạt nhân trong một đơn vị thể tích của bia

d, s là độ dày và diện tích của bia

đơn vị là Bacnơ (barn)

1barn = 10-28 m2

Vậy xác suất của phản ứng tỷ lệ với tiết diện hiệu dụng

2.3 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

2.3.1 Định luật bảo toàn số khối (hay số nucleon)

Trong các phản ứng không tạo ra phản hạt thì tổng số nucleon của phản ứng luôn luôn bảo toàn Hay nói cách khác là tổng số khối A hay số nucleon ở vế trái (trước phản ứng) bằng tổng số khối hay tổng số nucleon ở vế phải (sau phản ứng) của phương trình phản ứng

0 4 2 3

1 2

tự hủy với điện tử được, vì nếu chúng tự hủy được thì nguyên tử hyđrô sẽ không còn trong thế giới của chúng ta

2.3.2 Định luật bảo toàn điện tích (hay nguyên tử số Z)

Tổng điện tích của các hạt ở kênh vào của phản ứng phải bằng tổng điện tích của các hạt ở kênh ra của phản ứng Hay nói cách khác tổng điện tích (hay tổng số nguyên tử

số Z) ở vế trái bằng tổng điện tích (hay nguyên tử số Z ) ở vế phải của phương trình phản ứng

0 7 4 7

3 1

Tổng điện tích (Z ) bên trái : 1+3 = 4

Tổng điện tích (Z) bên phải : 4+0 = 4

2.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

Ta đã biết năng lượng toàn phần của một hạt Etp bằng năng lượng nghỉ E (hay còn gọi là nội năng) cộng với động năng K của nó Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần có nội dung như sau: “ Trong các phản ứng hạt nhân, tổng năng lượng toàn phần ở

vế trái bằng tổng năng lượng toàn phần ở vế phải của phương trình phản ứng”

Nghĩa là ta có: (Ea+Ka)+(Ex+Kx) = (Eb+Kb)+(Ey+Ky)

Ta có thể viết lại: (Ea+Ex)+(Ka+Kx) = (Eb+Ey)+(Kb+Ky)

Đặt Et = Ea+Ex: gọi là tổng năng lượng nghỉ hay tổng nội năng trước phản ứng

Kt = Ka+Kx: tổng động năng trước phản ứng

Tương tự như vậy, ta có Es = Eb+Ey và Ks = Kb+Ky là tổng năng lượng nghỉ (hay

là tổng nội năng) và tổng động năng sau phản ứng

Do đó định luật bảo toàn năng lượng toàn phần ở trên có thể viết lại là:

Et+Kt = Es+KsThông thường thì tổng nội năng trước phản ứng Et khác với tổng nội năng sau phản ứng Es (và do đó tổng động năng trước phản ứng Kt cũng khác với tổng động năng sau phản ứng Ks) Hiệu số Q = Et-Es = Ks-Kt gọi là hiệu ứng năng lượng hay năng lượng của phản ứng hạt nhân

+ Nếu Q>0 nghĩa là Et>Es hay Ks>Kt , phản ứng có kèm theo sự tăng động năng

và giảm nội năng Ta nói phản ứng tỏa năng lượng

+ Nếu Q<0 nghĩa là Et<Es hay Ks<Kt , phản ứng có kèm theo sự giảm động năng

và tăng nội năng Ta nói phản ứng thu năng lượng

+ Nếu Q=0 thì cả động năng và nội năng đều không đổi, ta nói có sự va chạm đàn hồi

Ta cũng có thể nhận biết phản ứng tỏa năng lượng, phản ứng thu năng lượng và đàn hồi qua khối lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng

Thật vậy, từ công thức Q = Et - Es ta có: Q = (Ma+Mx)c2 – (Mb+My)c2 hay:

Q = (Mt-Ms)c2Trong đó Mt = Ma+Mx là tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng

Ms= Mb+My là tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng

Phản ứng tỏa năng lượng Q>0  Mt-Ms > 0 Mt>Ms nghĩa là trong phản ứng tỏa năng lượng, tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng lơn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng

Phản ứng thu năng lượng Q<0  Mt-Ms< 0  Mt<Ms nghĩa là trong phản ứng thu năng lượng, tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng nhỏ hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng

Phản ứng đàn hồi Q=0  Mt-Ms= 0  Mt=Ms nghĩa là tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau

2.3.4 Định luật bảo toàn động lượng (hay xung lượng)

Định luật bảo toàn động lượng yêu cầu tổng số động lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số động lượng của các hạt thành phần sau phản ứng

P a P A P b P B

Trong đó P a ,P A ,P b,P B lần lượt là động lượng của các hạt a, A, b, B

2.3.5 Định luật bảo toàn mômen động lượng toàn phần

Ta hãy xét quá trình a+Ab+B khi các hạt có spin Giả sử hạt a có spin i, mômen động lượng tương đối so với hạt nhân A, hạt nhân A có spin I, hạt b có spin i’, mômen ’ tương đối so với hạt nhân B, hạt nhân B có spin I’ Mômen động lượng toàn phần J của hệ trước phản ứng là tổng mômen quỹ đạo  và các spin i, I:

2.3.6 Định luật bảo toàn độ chẵn lẻ

Giả sử hạt a có độ chẵn lẻ a , mômen động lượng tương đối so với hạt nhân A, hạt nhân A có độ chẵn lẻ  A , hạt b có độ chẵn lẻ là b , mômen động lượng ’ tương đối so với hạt nhân B, hạt nhân B có độ chẵn lẻ là  B

2.3.7 Định luật bảo toàn spin đồng vị

Định luật bảo toàn spin đồng vị yêu cầu tổng số spin đồng vị của các hạt trước phản ứng phải bằng tổng số spin đồng vị của các hạt sau phản ứng

Ta + TA = Tb + TB

Trong đó Ta , TA, Tb ,TB lần lượt là spin đồng vị của các hạt a, A, b, B

2.4 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA NƠTRON PHẢN ỨNG ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC LOẠI NƠTRON

Theo giả thuyết này thì photon  sinh ra phải có năng lượng khoảng 7 Mev Năm 1932, ông bà Joliot Curie thấy rằng tác dụng ion hóa của các tia mới tìm này tăng lên rất nhiều nếu chúng đi qua lớp paraphin (chứa rất nhiều nguyên tử hyđrô)

Từ thí nghiệm này họ tính được năng lượng của photon  khoảng 55 Mev chứ không phải 7 Mev như đã nói trên

Để giải quyết mâu thuẩn nói trên Năm 1932, Chadwick giả thuyết rằng tia sinh

ra khi đập  vào Be không phải là tia  (photon) mà là các hạt trung hòa, có khối lượng bằng khối lượng của proton và ông đặt tên la nơtron (kí hiệu là n)

0 12 6

* 13 6 4 2 9

3 7 10

Va chạm đàn hồi giữa nơtron và một hạt nhân nhẹ mang điện như proton có thể làm căn cứ cho sự phát hiện nơtron: một nơtron va chạm trực diện với một proton, do khối lượng của hai vật gần như bằng nhau nên nơtron dừng lại và trao năng lượng cho proton, proton chuyển động về phía trước với năng lượng bằng năng lượng của nơtron, proton này sẽ được phát hiện là dựa vào phản ứng bức xạ nơtron

Ví dụ   108 

47 107

47 1

n

  0 

1 108 48 108

Ag

2.4.2 Phương pháp sản sinh nơtron

Có nhiều phương pháp tạo ra nơtron nhưng đơn giản nhất là dùng nguồn Ra-Be

dưới dạng hỗn hợp Các hạt  phóng xại từ Radi va chạm với Be của hỗn hợp tạo thành

6 9

4 ( ,n)C

Be  và các nơtron với một dãy năng lượng rộng sẽ được phát xạ

4 9

4 ( ,n)Be

kiện năng lượng của photon phải lớn hơn 1,76 MeV (có thể dùng tia  phát xạ từ các chất phóng xạ tự nhiên hoặ nhân tạo)

Cũng có thể dùng các hạt mang điện như proton, đơtron được tăng tốc nhờ các máy gia tốc mạnh bắn phá các hạt nhân làm bia khác nhau để tạo ra nơtron đơn năng (nơtron có một giá trị năng lượng)

2 1 0 3 1 2

Ví dụ: Người ta cho proton có năng lượng 2 GeV đập vào một bia, các nơtron cùng năng lượng bậc ra theo hướng phia trước, proton đã truyền năng lượng và xung lượng của nó cho nơtron

Một nguồn tốt nhất có thể cung cấp dòng nơtron có mật độ lớn (có thể đạt tới

1016 hạt/cm2.s) là lò phản ứng hạt nhân hoạt động theo nguyên lý của hiện tượng phân hạch

2.4.3 Khối lượng của nơtron

Để tìm khối lượng của nơtron người ta dùng photon  tác dụng lên 1D2 ta thu được 1P1 và 0n1

1

0 1 1 0 0 2

Năng lượng tối thiểu để tách đơtôn (1D2) của  là 2,225 Mev

Theo hệ thức E = mc2 thì năng lượng này ứng với khối lượng m = 0,00239u, khối lượng của 1D2 là m0 = 2,01355u và của 1P1 là mp=1,00727u nên từ công thức trên ta suy ra:

m n m Dm P m 1 , 00866u

Hiện nay người ta đo được chính xác là mn= 1,0086652u

2.4.4 Thời gian sống, chu kì bán rã của nơtron

Nơtron tự do sẽ phân rã theo công thức sau: 0n11p11e0 v~

Phép đo chính xác chu kì bán rã của nơtron cho biết: T = 11,7 phút

Từ đó có thể tính được hằng số phân rã và thời gian sống  của nơtron:

16,88

693,

3Li7(p,n)4Be7 (trong máy gia tốc các hạt tích điện)

2.4.6 Các phản ứng hạt nhân do nơtron gây ra

Ta đã biết nơtron là hạt không mang điện nên có khả năng tiến gần hạt nhân mà không bị lực đẩy Cu-lông như các hạt điện tích khác Do đó, nó có thể gây ra rất nhiều phản ứng khác nhau như phản ứng phân hạch, phản ứng (n,), (n,p), (n,2n), (n, ) nhưng quan trọng điển hình là phản ứng bắt bức xạ và phản ứng phân hạch

+ Phản ứng bắt bức xạ: nơtron bắn vào hạt nhân làm bia và bị bắt làm xuất hiện hạt nhân mới ở trạng thái kích thích và có thể phóng xạ tia  :

0 0 28 13 27

13 1

0 Al  (Al ) * 

n

0 0 0 1 28 14 28

13 Si e 

Al

+ Phản ứng phân hạch: dùng nơtron bắn phá vào hạt nhân Urani (U235 ) ta thu được chính nơtron với số lượng nhiều hơn ban đầu 2-3 lần Phản ứng này cung cấp cho

ta một nguồn năng lượng khổng lồ mà con người có thể sử dụng vào mục đích có ích

Cũng cần chú ý rằng khả năng xảy ra các phản ứng tùy thuộc vào rất nhiều vào năng lượng của nơtron

Người ta chia nơtron ra thành 3 loại tùy theo năng lượng của nó:

+ Nơtron nhiệt (E<1ev)

+ Nơtron trung gian (1ev<E<0,1Mev)

+ Nơtron nhanh (E>0,1Mev)

Người ta gọi nơtron nhiệt và nơtron trung gian là nơtron chậm Nơtron chậm thường gây ra phản ứng hạt nhân với tiết dụng hiệu dụng lớn, vì vậy người ta thường làm chậm nơtron trước khi cho chúng gây phản ứng

2.5 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Từ đồ thị năng lượng liên kết hạt nhân, theo quan điểm năng lượng các hạt nhân bền nhất là các hạt nhân ở phần trung bình của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Các hạt nhân nhẹ và các hạt nhân nặng kém bền vững hơn Điều đó có nghĩa là sự biến đổi các hạt nhân nặng và các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình là một quá trình thuận lợi về mặt năng lượng, trong sự biến đổi này phải có tỏa ra một năng lượng khổng lồ mà ta có thể tính được dễ dàng nếu biết được sản phẩm ban đầu và cuối cùng

Đường cong năng lượng riêng chứng tỏ rằng về nguyên tắc có thể có hai phương pháp giải phóng năng lượng hạt nhân khác nhau đó là: phân chia các hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn và tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình

Hai loại phản ứng này hiện nay thực tế đã được thực hiện đối với các hạt nhân nhẹ nhất và các hạt nhân nặng nhất và người ta gọi đó là phản ứng phân hạch (phân chia hạt nhân) và phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân)

2.5.1 Phản ứng phân hạch (phản ứng phân chia hạt nhân)

2.5.1.1 Hiện tượng phân hạch

Sau khi Chadwick phát hiện nơtron, Fermi và các cộng sự của ông ở Roma phát hiện được rằng nếu các nguyên tố bị bắn phá bởi hạt đạn nơtron thì xuất hiện các nguyên tố phóng xạ mới Fermi cũng tiên đoán rằng do nơtron không mang điện tích giống hạt  nên không chịu lực đẩy Cu-lông khi tiến gần bề mặt hạt nhân Ông còn nhận xét nơtron nhiệt, nơtron ở trạng thái cân bằng với vật chất ở nhiệt độ phòng, có động năng trung bình cỡ 0,04 eV là các hạt đạn đặc biệt tiện ích khi bắn phá hạt nhân nặng

Tiếp tục công trình của Fermi, năm 1938, Hahn và Strassman (Đức) đã tiến hành bắn phá dung dịch muối uranium bằng nơtron nhiệt và các ông phát hiện ra rằng dưới tác dụng của nơtron chậm hạt nhân 92U235 có thể bị vỡ thành hai mảnh hạt nhân có khối lượng trung bình Các mảnh này có động năng khá lớn và là những đồng vị phóng xạ khá mạnh trong đó có một nguyên tố có tính chấ hóa học giống như Bari Ngoài ra trong phản ứng còn phát ra vài nơtron nữa gọi là nơtron thứ cấp (nơtron bắn vào hạt nhân gọi

là nơtron sơ cấp) và tỏa ra một năng lượng rất lớn

Sau đó, Lise Meitner và cháu của bà là Firish đã chứng tỏ được rằng hạt nhân uranium khi hấp thụ một nơtron nhiệt có thể tách ra thành hai phần bằng nhau kèm theo giải phóng năng lượng Firish gọi hiện tượng trên là hiện tượng phân hạch

Bằng thực nghiệm và tính xác suất phân bố của số khối họ đã xác định được hai thành phần đó chính là Bari và Krypton

Các quan sát chứng tỏ mỗi nơtron hấp thụ sẽ phóng xạ 2 đến 3 nơtron thứ cấp sau khi phân hạch

Phương trình phân hạch trong thí nghiệm của Hahn – Strassman:

E n Kr Ba

U U

0 89 36 144 56 236

92 235

92 1

59 144

58 144

57 144

89 39 89 38 89

37 89

Phản ứng phân hạch hạt nhân (còn gọi là phản ứng phân chia hạt nhân) là một

quá trình vật lý mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt nơtron, photon tồn tại dưới dạng các tia gamma γ, tia beta β và tia alpha α Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng kể dưới dạng tia gama γ và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch)

Chính những nơtron mới sinh lại tiếp tục gây ra sự phân chia mới ở những hạt nhân lân cận trong khối nhiên liệu Do mỗi lần phân chia có khoảng 2 đến 3 hạt nơtron phát ra, nên số hạt nhân phân chia mỗi lúc một tăng lên Quá trình phân hạch được duy

trì và tăng lên như trên được gọi là phản ứng dây chuyền

Hình 2.3 Phản ứng phân hạch

Hình vẽ mô tả một phản ứng phân hạch cụ thể xảy ra trong thanh nhiên liệu của

lò phản ứng: hạt n (có thể tự phát bay ra từ một hạt nhân U nào đó) hấp thụ bởi hạt nhân

U235 và tạo thành hạt nhân hợp phần U236 Hạt nhân mới này không bền và tự phát phân chia thành hai hạt nhân mới Kr92 và Ba141 và các hạt nơtron

Phản ứng phân hạch là một phản ứng có lợi về mặt năng lượng, tức hầu như không tốn năng lượng cung cấp cho “viên đạn” nơtron đầu tiên, nhưng phát ra nhiều năng lượng, đó là động năng của các mảnh vỡ và các hạt nơtron mới sinh ra, tiếp theo là năng lượng của các bức xạ alpha, beta, gamma…

Hình a Hình b Hình c

Hình 2.4 Ảnh mô tả sự biến đổi “giọt” hạt nhân

Xét một hạt nhân nặng, trước khị bị bắn phá nó có dạng hình cầu điện tích dương phân bố đều (hình a) Lúc này trong hạt nhân tồn tại hai loại lực tác dụng đó là lực đẩy Cu-lông và lực căng bề mặt, lực căng bề mặt lúc này lơn hơn lực đẩy Cu-lông nên hạt nhân có dạng hình cầu

Sau khi hấp thụ nơtron nhiệt, nơtron này rơi vào một giếng thế gắn với lực hạt nhân mạnh tác dụng bên trong hạt nhân Khi đó thế năng của nó được chuyển hóa thành năng lượng kích thích nội tại làm cho hạt nhân dao động mạnh giống như giọt chất lỏng dao động, từ đó phát triển thành hình thắt cổ chai (hình b)

Lực Cu-lông làm nó duỗi dài ra, lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn nên “ lực căng mặt ngoài” giảm dần đến nhỏ hơn lực Cu-lông thì hạt nhân sẽ bị đứt tại chỗ thắt cổ chai tạo thành hai hạt nhân con (hình c) Hai mảnh hạt nhân này còn mang năng lượng kích thích nên bay xa nhau và phát ra các nơtron, như vậy sự phân hạch đã xảy ra

2.5.1.3 Điều kiện phân hạch

Thực nghiệm cho thấy nếu truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn thì nó sẽ

vỡ thành hai hay nhiều mảnh Năng lượng cực tiểu cần thiết để làm vỡ hạt nhân gọi là

ngưỡng phân hạch hay năng lượng kích hoạt

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn năng lượng kích hoạt

Đồ thị cho thấy giá trị năng lượng kích hoạt trên đường cong thế năng của hạt nhân chịu phân hạch Trục tung thể hiện thế năng của hạt nhân, trục hoành biểu diễn khoảng cách khối tâm hai mảnh vỡ (trước khi chúng tách ra)

Ta thấy đường cong đi qua một điểm cực đại tại giá trị rk nào đó Tạo ra một bờ thế có độ cao Ek cần phải vượt qua (hay xuyên đường ngầm qua) trước khi có phân hạch

Nếu nơtron được hấp thu cung cấp cho hạt nhân một năng lượng kích thích Enlớn hơn năng lượng kích hoạt Ek (trong các trường hợp có thể xuyên đường ngầm thì có thể nhỏ hơn) thì phân hạch sẽ xảy ra Nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt và không có hiệu ứng đường ngầm xảy ra thì không có phản ứng phân hạch

Bohr và Wheeler đã chứng minh được năng lượng kích hoạt Ek phụ thuộc vào tỉ

Quá trình phân hạch về mặt năng lượng có thể xảy ra đối với các hạt nhân có số khối lượng lớn hơn 80 Tuy nhiên trong lò phản ứng chí xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân nặng từ Th232

90 đến Pu242

94 Động năng nơtron, năng lượng liên kết của nó và độ cao

bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch hạt nhân cụ thể Các hạt nhân Th232

,

U233, U235, U238 và Pu239 thường được sử dụng trong lò phản ứng Khi hấp thụ nơtron các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th233

, U234, U236 và Pu240 với năng lượng kích thích tối thiểu bằng năng lượng liên kết của nơtron trong các hạt nhân đó Nếu năng lượng kích thích này lớn hơn năng lượng kích hoạt Ek thì hạt nhân xuất phát có thể bị phân hạch khi hấp thụ nơtron với năng lượng bất kì Nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi động năng nơtron phải đủ lớn để cho năng lượng kích thích vượt quá năng lượng kích hoạt

Bảng 2.1 Năng lượng kích hoạt Ek và năng lượng kích thích En đối với các hạt

2.5.1.4 Các bức xạ trong quá trình phân hạch

Trong quá trình phân hạch các hạt nhân có thừa nơtron, do đó sau thời gian khoảng 10-12

(s) có thể xảy ra “sự bay hơi”của các nơtron năng lượng khoảng 200 MeV Năng lượng này được phân bố giữa các sản phẩm phân hạch Hạt nhẹ hơn mang phần năng lượng lớn hơn Các mảnh ở trạng thái kích thích, do đó chúng bức xạ tia 

Các mảnh do có diện tích lớn nên gây ra sự ion hóa lớn và kích thích các phân tử của chất truyền cho chúng năng lượng làm cho môi trường nóng lên, tại đây có xảy ra quá trình phân hạch Các bức xạ khác giữ vai trò nhỏ, do đó có thể bỏ qua được Sự có mặt của các dòng mạnh các bức xạ và nơtron có năng suất xuyên mạnh đòi hỏi phải tạo

ra sự bảo vệ chống bức xạ

Ngoài ra còn có các bức xạ phân hạch của các hạt nhân khác và bức xạ tự phát nhưng nó xảy ra ít ta có thể bỏ qua

2.5.1.5 Đặc điểm của phản ứng phân hạch

+ Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch U235 phụ thuộc vào năng lượng nơtron Đối với nơtron nhiệt tiết diện hiệu dụng ấy gấp trăm lần lớn hơn so với nơtron nhanh Đối với tất cả các hạt nhân phân hạch tiết diện giảm cỡ hai bậc khi chuyển từ nơtron nhiệt sang nơtron nhanh Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch cũng rất khác nhau đối với những đồng vị của một nguyên tố

+ Trong quá trình phân hạch, trung bình có từ 2 đến 3 nơtron thứ cấp phát ra Các nơtron thứ cấp có năng lượng từ 0 đến 10 MeV Nhưng phần lớn tập trung trong khoảng

từ 1 đến 2 MeV Các mảnh vỡ phát ra trong quá trình phân hạch rất khác nhau

+ Những mảnh vỡ nói chung rất thừa nơtron nên chúng không bền vững và chịu phóng xạ  liên tiếp Ta đã biết rằng quá trình phân hạch tỏ ra một năng lượng rất lớn

và phát ra một số nơtron thứ cấp lớn hơn số nơtron sơ cấp và đây là cơ sở để thực hiện phản ứng dây chuyền Chẳng hạn mỗi hạt nhân bị vỡ cho hai nơtron, thì hai hạt nhân này có thể đi vào hai hạt nhân urani, hai hạt nhân này phân chia sẽ có bốn nơtron, bốn

nơtron này sẽ phá vỡ các hạt nhân urani khác và cứ thế phản ứng phá vỡ hạt nhân tiến hành theo dây chuyền

2.5.1.6 Phản ứng dây chuyền

Sau khi phản ứng phân hạch hạt nhân sinh ra vài nơtron thứ cấp, các nơtron này

có thể gây ra các phản ứng phân chia hạt nhân của các hạt nhân khác

Giả sử trong môi trường có chứa U235, sau mỗi phản ứng phân chia hạt nhân có 3 nơtron mới sinh ra chẳng hạn, như vậy sau lần thứ nhất bị phân chia có 3 nơtron mới Đến lần phân chia thứ hai sẽ có 32

= 9 nơtron sinh ra Đến lần phân chia thứ ba sẽ có

33=27 nơtron mới,…cho đến lần phân chia thứ n có 3n nơtron sinh ra Và cứ như thế quá trình phân hạch xảy ra như dòng thác gọi là phản ứng phân hạch dây chuyền (hay gọi là phản ứng dây chuyền)

Hình 2.6 Ảnh minh họa phản ứng dây chuyền

Cần chú ý rằng phản ứng phân hạch tỏ ra một năng lượng rất lớn, phản ứng dây chuyền làm năng lượng này tăng lên gấp bội Nếu quá trình xảy ra không điều khiển được thì kết quả sẽ là một vụ nổ hạt nhân Còn nếu điều khiển được thì có thể lấy năng lượng ra để sử dụng một cách hiệu quả

2.5.1.7 Điều kiện phản ứng dây chuyền

2.5.1.7.1 Điều kiện phản ứng dây chuyền

Trong thực tế thì việc phản ứng dây chuyền phức tạp nhiều vì những lí do sau: + Không phải mọi nơtron đi vào hạt nhân đều gây nên sự phân hạch hạt nhân Một số chỉ làm cho hạt nhân phát ra tia  mà không phát xạ nơtron Do đó phản ứng dây chuyền không phải phụ thuộc vào số nơtron sinh ra trong phản ứng phân hạch mà phụ thuộc vào “hệ số tái sản xuất” nơtron, tức là tỉ số giữa nơtron sinh ra do phân hạch

và số nơtron chậm bị bắt

Ví dụ: Trong số hạt nhân U235

bắt được nơtron thì chỉ có 85% hạt nhân bị phân hạch, còn đối với hạt nhân Plutoni (Pu239) thì lại chỉ có 63% hạt nhân bắt được nơtron chậm để bị vỡ ra mà thôi

+ Không phải mọi nơtron thứ cấp sinh ra đều có thể sử dụng được Nghĩa là bị các hạt nhân uran khác bắt vào để phân hạch Vì khối uran chỉ chiếm một thể tích xác định, nên bao giờ cũng có một số nơtron nào đó đi ra khỏi khối uran mà không bị bắt Các nơtron thứ cấp thường có năng lượng lớn Muốn phản ứng phân hạch xảy ra dễ dàng thì cần phải làm chậm nơtron trước khi nó gặp uran Quá trình làm chậm này cũng kèm theo sự mất một số nơtron

+ Trong uran ngoài U235 còn có U238 Đồng vị thứ hai này bắt nơtron nhưng không phân hạch nghĩa là không có nơtron thứ cấp Mặc khác U235 cũng như chất làm

chậm bao giờ cũng lẫn một vài tạp chất Nếu đó là những tạp chất hấp thụ mạnh nơtron nhiệt thì dù hàm lượng của chúng rất ít đi nữa thì một số lớn nơtron nhiệt vẫn bị chúng hấp thụ và không tham gia phản ứng dây chuyền

Đây là những lý do để chúng ta hiểu rằng tuy phân hạch sinh ra nhiều nơtron nhưng phản ứng dây chuyền cũng xảy ra với một điều kiện nhất định Bây giờ ta sẽ xét những điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền:

- Hệ số tái sản xuất n là số trung bình nơtron thứ cấp sinh ra khi một nơtron chậm

bị hạt nhân U235

hấp thụ Trong quá trình làm chậm nột số nơtron thứ cấp bị mất đi do bị hấp thụ bởi U238, bởi tạp chất hoặc đi ra ngoài Chỉ có một phần p biến thành nơtron chậm, nghĩa là ta chỉ có np nơtron chậm

- Trong số các nơtron đã được làm chậm np này một phần lại bị hấp thụ bởi U238 , bởi tạp chất, bởi hạt nhân của chất làm chậm Do đó chỉ còn lại một phần k, tức là còn npk nơtron đã được làm chậm U235

bắt để phân hạch Hệ số k được gọi là hệ số sử dụng nơtron chậm Như vậy là một nơtron sau một “mắt ”của dây chuyền trở thành npk nơtron

Cũng cần chú ý rằng ở trên ta chỉ xét sự phân hạch được gây ra bởi nơtron chậm, nhưng trước khi làm chậm thì đã có một số rất nhỏ nơtron nhanh cũng gây ra sự phân hạch, cho nên tích số npk phải nhân với một hệ số 

f =npk  công thức này được gọi là công thức bốn thừa số

Nếu f >1 thì nơtron làm hạt nhân bị phân hạch tăng lên, do đó tích số npk còn gọi là “hệ số nhân” nơtron Vậy điều kiện để cho phản ứng dây chuyền được duy trì là

hệ số nhân ít nhất phải bằng 1 tức là (f=npk =1) Muốn tăng “hệ số nhân” nơtron npk

ta có thể tăng k và p

+ Muốn tăng k tức là làm giảm số nơtron đã được làm chậm bị hấp thụ, người ta tìm cách loại những tạp chất hấp thụ mạnh nơtron chậm và dùng những chất làm chậm ít hấp thụ nơtron

+ Muốn tăng p tức là làm giảm số nơtron thứ cấp thoát ra ngoài và bị hấp thụ bởi

U238 thì dùng khối uran lớn và có thành bọc phản xạ nơtron Còn đối với sự hấp thụ nơtron bởi U238

thì người ta đã biết sự hấp thụ này rất mạnh đối với nơtron có năng lượng từ 5 đến 100 eV, đặc biệt có sự cộng hưởng ở khối lượng năng lượng 6,7 eV Do

đó, trong quá trình làm chậm khi ta đạt đến năng lượng này thì không cho gặp U238

bằng cách người ta không phân bố đều chất uran với chất làm chậm mà được làm thành từng thanh cách nhau bởi chất làm chậm

2.5.1.7.2 Điều khiển phản ứng dây chuyền

Ta đã biết “hệ số nhân” nơtron f=npk và nếu f=1 thì phản ứng dây chuyền được duy trì

- Nếu f > 1 thì phản ứng dây chuyền xảy ra với tốc độ rất nhanh, một năng lượng rất lớn tỏ ra trong một khoảng thời gian ngắn, như thế sẽ tạo ra một vụ nổ mạnh với áp suất lên đến hàng triệu atmôtphe (atm) và nhiệt độ lên đến hàng triệu độ

- Nếu f < 1 thì phản ứng dây chuyền xảy ra với tốc độ chậm và năng lượng phân hạch tỏ ra từ từ, nghĩa là phản ứng dây chuyền có thể điều khiển được

2.5.1.8 Năng lượng phân hạch

Trong phản ứng phân hạch điều mà người ta thường quan tâm là “hiệu ứng năng lượng ” Bohr đã chứng minh rằng trong phản ứng phân hạch có hiệu ứng năng lượng Frisiơ dùng buồng ion hóa để đo và cho thấy hiệu ứng này là một chứng minh cho định

luật “năng lượng - khối lượng” của Einstein: E = mc2

Trong thuyết tương đối hẹp ta đã từng biết đến mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng Einstein đã nói năng lượng sở dĩ được xem là không có khối lượng là vì

khối lượng tương ứng với nó nhỏ đã bị bỏ qua Về sau các nhà khoa học đã chứng minh được điều đó, cho nên người ta mới chú ý đến “độ hụt khối” trong phản ứng phân hạch

Như vậy, phản ứng phân hạch giải phóng một năng lượng rất lớn Nếu phản ứng dây chuyền được thực hiện và 1kg nhiên liệu U235 được phân hạch hoàn toàn thì ta sẽ thu được một năng lượng khoảng 25 triệu KWh

Tính trung bình mỗi hạt nhân bị phân hạch tỏa ra một năng lượng khoảng 200 MeV Năng lượng này được phân bố dưới các dạng sau:

- Phần lớn nhất được thể hiện dưới dạng động năng của các mảnh được tách ra

- Một phần được thể hiện dưới dạng bức xạ  tức thời khi hạt nhân ban đầu bị phân chia

- Một phần được thể hiện dưới dạng bức xạ  và  của các mảnh được tách ra lại tiếp tục phân rã

- Phần thể hiện qua động năng của các nơtron do phân chia (nơtron thứ cấp)

- Phần còn lại thể hiện qua động năng của nơtrinô

2.5.2 Phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân)

2.5.2.1 Phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân) trong vật lý học là quá trình kết hợp 2 hạt nhân nhẹ lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia

Ví dụ:

6 , 17 1 0 4 2 3

đủ lớn để thắng hàng rào thế Hay nói cách khác để cho các hạt nhân đơtơri có thể tiến lạ gần nhau tới các khảng cách mà tại đó các lực hạt nhân bắt đầu có tác dụng thì chúng ta phải thắng các lực đẩy Cu - lông

Hình 2.8 Tổng hợp hai hạt nhân Đơtơri

Để làm cho các hạt nhân đơtơri hợp lại với nhau cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hyđrô Điều đó được giải thích là do các quá trình của phản ứng đều khó thực hiện Trước tiên cần phải nguyên tử hóa các phân

tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma Sau đó cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Cu-lông giữa chúng vì năng lượng trung bình của các hạt trong chuyển động nhiệt bằng kT

chỉ cần tạo nhiệt độ khoảng 1010K

Sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng

1 nơtron tự do sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng có thể tạo ra phản ứng tự duy trì (tuy nhiên, từ hạt nhân sắt trở đi, việc tổng hợp hạt nhân trở nên thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt) Việc cần nhiều năng lượng để khởi động phản ứng thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra Chính vì lý do này

mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch

Việc tạo ra nhiệt độ cao bằng các nguồn bên ngoài chỉ cần vào lúc đầu để cho phản ứng được bắt đầu Sau khi phản ứng xảy ra nó có thể tự duy trì do có sự tỏa năng lượng trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân

2.5.2.2 Điều kiện duy trì phản ứng nhiệt hạch

Lực đẩy Cu-lông ngăn cản hai hạt nhân lại gần nhau, như vậy muốn tổng hợp hai hạt nhân lại ta phải làm cho chúng có năng lượng đủ lớn để thắng tác dụng của lực đẩy Cu-lông hay nói cách khác đủ để một hạt vượt qua hàng rào thế năng tương tác giữa chúng

Trong phản ứng tổng hợp hai hạt nhân đơtơri thành hạt nhân hêli, khi năng lượng

là 10000 eV thì sự tổng hợp hạt nhân được thực hiện trung bình sau 1 triệu va chạm Phản ứng tổng hợp sinh ra một năng lượng lớn hơn nhiều (khoảng 22 triệu eV), nếu một phần năng lượng tỏa ra truyền cho đơton khác để lại gây nên sự tổng hợp hạt nhân thì phản ứng có thể tiếp tục Nhưng đơton mất rất nhanh năng lượng vì ion hóa các nguyên

tử mà nó gặp, nó không kịp đi vào đơton khác để gây nên phản ứng tổng hợp

Muốn duy trì phản ứng phải làm sao cho đơton luôn luôn có năng lượng lớn, có thể thực hiện được điều này bằng cách tăng nhiệt độ, nếu nung nóng đến 1 triệu độ thì động năng trung bình của đơton xấp xỉ bằng 130 eV, mà xác suất tổng hợp cũng hãy còn

là không đáng kể Tuy nhiên, 130 eV chỉ là động năng trung bình của hạt nhân, một số hạt nhân có năng lượng lớn hơn nhiều, 10-8 đơton sẽ có năng lượng nằm trong khoảng

1600 đến 2500 eV, xác suất tổng hợp đơton ở năng lượng đó cũng không quá nhỏ vào khoảng 10-15 đến10-12 Khi vật chất ở nhiệt độ 1 triệu độ, ở mọi nguyên tử chịu xấp xỉ

1010 va chạm mỗi giây và trong 1kg đơtơri có 3.1026 đơton thì rõ ràng ở điều kiện đó có rất nhiều trường hợp đơton tổng hợp thành hêli Kết quả tổng hợp hạt nhân mỗi giây có thể tỏa ra năng lượng gần bằng 100 KW, nhưng năng lượng mất đi vì bức xạ còn lơn hơn nhiều so với năng lượng do phản ứng sinh ra, nên phản ứng chưa tự duy trì được Khi nhiệt độ tăng thì cả năng lượng sinh ra và năng lượng mất đi vì bức xạ điều tăng, nhưng năng lượng sinh ra tăng nhanh hơn Phải tới nhiệt độ khoảng 500 triệu độ thì năng lượng sinh ra mới cân bằng được với năng lượng mất đi Như vậy chúng ta thấy rằng phải ở nhiệt độ rất cao thì các phản ứng tổng hợp hạt nhân mới thực hiện được

2.5.2.3 Nhiên liệu nhiệt hạch

Tham gia các phản ứng nhiệt hạch thường là các hạt nhân hyđrô nhẹ H1 (kí hiệu H), hoặc các hyđrô nặng như đơtơri H2

(kí hiệu D) và triti H3 (kí hiệu T) Chất đơtơri có sẵn trong nước, chỉ cần phân tích kĩ 6000 tế bào nước sẽ có 2 nguyên tố đơtơri, triti nguyên chất không có trong tự nhiên nhưng là chất tách được từ liti một nguyên tố có sẵn trong tự nhiên, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém trong quy mô công nghiệp từ các nguyên tử hyđrôgen

Các nhiên liệu nhiệt hạch trên có thể cho xảy ra các phản ứng sau:

MeV He

T

H 13 42 19 , 8 1

12D13T 14 He10n 17 , 6MeV

MeV He

D

Li 12 242 22 6

Năng lượng lớn nhất ứng với một đơn vị khối lượng có thể thu được khi cho tiến hành phản ứng thứ nhất và năng lượng nhỏ nhất ứng với một đơn vị khối lượng có thể thu được khi cho tiến hành phản ứng thứ ba Tuy nhiên tiết diện hiệu dụng lớn nhất có ở phản ứng thứ hai Như vậy phản ứng này có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn Có cả có những quá trình khác dẫn đến sự tạo thành các hạt nhân hêli từ các hạt nhân đồng vị hyđrô hay liti

2.5.2.4 Điều khiển phản ứng nhiệt hạch

2.5.2.4.1 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

Để có phản ứng nhiệt hạch xảy ra thì phải có nhiệt độ lên đến hàng chục triệu độ

và các phản ứng nhiệt hạch xảy ra sẽ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn khoảng 10-6(s) rồi tắt hẳn Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong điều kiện như vậy gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

Trong các điều kiện trên mặt đất, các phản ứng nhiệt hạch chỉ được thực hiện dưới dạng các phản ứng không điều khiển được, dẫn đến một sự tỏa ra một năng lượng khổng lồ trong vài phần triệu giây Các phản ứng nhiệt hạch không điều khiển được chỉ được dùng và thực hiện làm vũ kí nhiệt hạch Để làm tích hạt nhân có thể dùng hỗn hợp triti và đơtơri lỏng Tuy nhiên nhược điểm của chất này là đòi hỏi phải có sự tách nhiệt phức tạp Các sản phẩm ở thể khí chiếm thể tích lớn Phản ứng giữa triti và đơtơri có những thuận lợi đáng kể Trong trường hợp này hỗn hợp chất nổ có thể ở dạng chất rắn (liti hyđrua nặng) Trong những điều kiện thực phản ứng với liti hyđrua nặng có thể tiến hành phức tạp hơn

Việc thu được nhiên liệu nhiệt hạch không gặp những khó khăn về mặc nguyên tắc Đơtơri thu được bằng cách cho điện phân nước nặng còn nước nặng thu được bằng cách cho điện phân nước thông thường Triti thu được trong các lò phản ứng hạt nhân khi bắn phá liti 63Li bằng các nơtron:

T He n

1 4 2 1 0 6

Nhược điểm của triti là có tính phóng xạ, do đó nó biến thành đồng vị nhẹ của hêli với chu kì bán rã là 12,5 năm:

v He

3

2.5.2.4.2 Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển

Năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch rất nhiều, và nguồn nhiên liệu của nó có thể nói là vô tận trong tự nhiên Nếu ta làm cho phản ứng nhiệt hạch tiến hành chậm thì sẽ không gây nên sự nổ

và có thể sử dụng được năng lượng rất lớn tỏa ra để phục vụ đời sống Vì vậy, vấn đề đặt ra là làm thế nào để phản ứng nhiệt hạch được duy trì và có điều khiển được để đảm bảo cung cấp năng lượng cho nhân loại

Vấn đề cơ bản phải giải quyết trong phản ứng nhiệt hạch là thực hiện được nhiệt

độ cao đến hàng chục triệu độ trong một diện tích giới hạn chứa đầy đơtơri hay hỗn hợp đơtơri-liti rồi cho phản ứng xảy ra với một tốc độ điều khiển được

Người ta có thể thực hiện được nhiệt độ hàng chục triệu độ bằng cách phóng điện trong chất khí hoặc bắn phá bằng chùm electron xung Ở nhiệt độ này các chất hoàn toàn

bị ion hóa, nghĩa là chỉ toàn những hạt nhân trần và electron tự do, trạng thái này gọi là plasma có tính dẫn điện rất lớn Khối plasma này phải luôn được giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian dài Nhiệt độ càng cao thì sự truyền nhiệt ra ngoài càng lớn, nếu không cách nhiệt với bên ngoài thì nhiệt độ cao không thể duy trì được, plasma đụng vào thành bình sẽ giảm nhiệt độ và phản ứng nhiệt hạch sẽ tắt

Người ta đã tìm được phương pháp thực hiện sự cách nhiệt chất plasma bằng từ trường Theo phương pháp này thì dưới tác dụng của từ trường các hạt mang điện của chất plasma sẽ chuyển động theo những đường cong, từ trường càng mạnh thì bán kính chính khúc của đường cong quỹ đạo càng nhỏ, hạt tích điện gặp từ trường thì chuyển động cong nên quật trở lại không đụng vào thành bình Ta có một vỏ từ trường có tác dụng cách nhiệt nhưng không thu mất năng lượng của các hạt Vỏ từ trường này có thể sinh ra do chính dòng điện phóng qua chất plasma

Những thông số quan trọng của plasma đó chính là mật độ ion (n), thời gian giữ plasma (t) và nhiệt độ T Nếu nhiệt độ plasma đạt được 100 triệu độ và tích nt ~ 1014Sec/cm3 thì có khả năng tạo ra và duy trì được phản ứng nhiệt hạch bằng cơ chế tự điều khiển

Cho đến nay phương pháp tiên tiến nhất là phương pháp Tokamak của Liên Xô Tokamak thực chất là một biến thế khổng lồ, cuộn sơ cấp chỉ gồm 1 cáp to, siêu dẫn, chịu được cường độ đến 950A Cuộn thứ cấp thực chất là khối plasma được giữ cho thành hình xuyến nhờ một từ trường, bên trong chứa đầy đơtơri ở áp suất thấp Khi cho dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp trong buồng sẽ xảy ra sự phóng điện khi bị ion hóa và nung nóng đến nhiệt độ rất cao (nhiệt độ hỗn hợp có thể lên đến 200 triệu độ trong 1 giây), từ trường của chính dòng điện trong xuyến sẽ giúp cho plasma không chạm vào thành xuyến để ổn định plasma người ta dùng một từ trường phụ do một cuộn dây đặt dọc theo buồng xuyến tạo ra từ Tokamak

n H H

H 12 32 10

2

H H H

2.5.2.4.3.2 Phương pháp hợp nhân ấm

Năm 1992, tại Y.Segre (đại học Roma) cùng với Atreni, Brigulio Romanelli (đại học Fracasti) phát hiện: paladi hút hyđrô thường hay nặng khi có dòng điện phân hay

hiệu điện thế thay đổi Một hyđrô nặng có thể hợp với hyđrô nặng khác để sinh ra hêli,

pôzitrôn và tỏa năng lượng

Tháng 2/1994, ba nhà nghiên cứu người Ý khác là Frocardi (Bologne), Habel

(Cagliari), Piantelli (Sienne) loan báo một hợp nhân “âm ấm” khác: hyđrô thường và

hyđrô nặng được hút vào trong một thanh niken nóng cho hêli và bức xạ  , năng lượng

tỏa ra gấp 1,5 lần năng lượng chi tiêu

2.5.2.4.3.3 Tổng hợp nhệt hạch bằng lazer

Đây là một kĩ thuật giữ plasma để các phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra ngoài

phương pháp Tokamak Phương pháp này đang được nghiên cứu tại các phòng thí

nghiệm Các viên nhiên liệu đơtơri , triti mỗi viên nhỏ hơn một hạt cát được bắn bởi 10

xung lazer đồng bộ công suất cao, được bố trí đối xứng quanh viên đạn, mỗi viên được

truyền một năng lượng 200kJ trong khoảng thời gian nhỏ hơn 1 nano giây từ một xung

(công suất gần 2.1014 W) Người ta quan sát được các viên nhiên liệu nổ giống như một

quả bom khinh khí nhỏ với vận tốc 10 đến 100 hạt trong 1 giây

2.5.2.5 Phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên

Nắng nóng và ánh sáng từ phía Mặt Trời liên tục ngày đêm sưởi ấm và chiếu sáng

Trái Đất chúng ta suốt từ khi hình thành Nguồn năng lượng khổng lồ như vô tận đó

chính từ phản ứng nhiệt hạch xảy ra tự nhiên trên Mặt Trời

Thật vậy, trong lõi của Mặt trời, các điều kiện xảy ra và duy trì phản ứng tổng

hyđrô vượt qua lực đẩy điện tích

và kết hợp với nhau tạo ra phản

phản ứng nhiệt hạch Áp suất nói

trên tạo ra do kích thước và khối

lượng của Mặt Trời rất lớn so với

Trái Đất Hình 2.9 Cấu trúc Mặt Trời: lõi (Core), vùng phóng

xạ (Radiative Zone) và vùng bao che (Convective Zone)

Trong quá trình nhiệt hạch khối lượng của Mặt Trời cũng giảm đi, ước tính

khoảng 4,1 triệu tấn vật chất tiêu hao trong mỗi một giây Nhưng con số đó vô cùng bé

nhỏ so với giá trị khối lượng Mặt Trời

Trên Mặt Trời có đầy đủ những nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch, nguyên tố

nhẹ nhất là hyđrô rất dồi dào và chiếm 74% khối lượng hay 92% thể tích Mặt Trời Hêli

chiếm 24% khối lượng, các nguyên tố còn lại là sắt, niken, oxi, silic, lưu huỳnh, cácbon,

magiê, v.v Ngoài hyđrô nhẹ và hyđrô nặng như đơtơri và triti đóng vai trò quyết định,

còn có các nguyên tố khác như He, C, N, O cũng tham gia phản ứng nhiệt hạch Tốc độ

phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên như ở Mặt Trời phụ thuộc nhiều vào mật độ và nhiệt

độ

Các phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lòng Mặt Trời và các vì sao chính là nguồn gốc sinh ra năng lượng của Mặt Trời và các sao Năng lượng có thể tỏa ra theo các con đường khác nhau Một trong các con đường đó chính là chu trình cácbon – nitơ, do H.Bethe đưa ra năm 1939 và chu trình hyđrô

* Chu trình Bethe hay chu trình cácbon – nitơ:

He C N

H

v e N O

O N

H

N C

H

v e C N

N C

H

4 2 12 6 15 7 1 1

15 7 15 8

15 8 14 7 1 1

14 7 13 6 1 1

13 6 13 7

13 7 12 6 1 1

(

4 11 42    

v e He H

* Chu trình hyđrô:

) (

2 114

2 3

2 3 2

3 2 2 1 1 1

2 1 1 1 1 1

H He

H H

He H

H

v e H H

(

4 11 42    

v e He H

Do kết quả tiến hành của chu trình này, từ bốn hạt nhân hyđrô hình thành một hạt nhân hêli Lượng cácbon khi đó không thay đổi nó giữ vai trò của chất xúc tác Chu trình đó diễn biến dừng ở các nhiệt độ bằng hàng chục triệu độ trong các lớp đất sâu của các ngôi sao bùng cháy trong hàng triệu năm Bên trong các ngôi sao lạnh hơn và Mặt Trời có thể xảy ra một chu kỳ khác đó là prôton - prôton do Bethe và Kritsfild đưa ra năm 1938:

H

He H

D

v e D H

H

4 2 1 1 3 2

3 2 1 1 2 1

2 1 1 1 1 1



Quá trình này cũng dẫn đến sự hình thành hạt nhân hêli từ bốn hạt nhân hyđrô, khi đó ứng với mỗi hạt nhân hêli có tỏa ra một năng lượng vào khoảng 26 MeV, như vậy là tỏa ra 700.000 kWh ứng với từng 4g hêli một

Hiện nay, người ta cho rằng trong các sao lớn hơn Mặt Trời chu trình cácbon – nitơ quan trọng hơn sự cháy trực tiếp của hyđrô, nhưng trong Mặt Trời và các sao nhỏ hơn sự cháy trực tiếp của hyđrô được coi là cách quan trọng nhất để sản sinh năng lượng trong giai đoạn thuộc dãy chính

2.5.2.6 Năng lượng nhiệt hạch

Ta đã biết các phản ứng hạt nhân đều có kèm theo quá trình tỏa ra hay hấp thụ năng lượng Nếu năng lượng liên kết hạt nhân sau phản ứng tăng lên thì có sự tỏa ra năng lượng Sự phân chia hạt nhân trong phản ứng phân hạch là một phản ứng trong đó hạt nhân uran có năng lượng liên kết vào khoảng 8,5 MeV, phản ứng đó tỏa ra một năng

lượng lớn Nhưng còn có phản ứng tỏa ra năng lượng lớn hơn nữa đó là phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân nặng hơn mà ta gọi đó là phản ứng nhiệt hạch ( phản ứng tổng hợp hạt nhân) Vì với các hạt nhân nhẹ thì năng lượng liên kết riêng biến thiên rất nhiều Nếu như tổng hợp hai hạt nhân đơtơri 12D có năng lượng liên kết riêng 2,2 MeV thành hạt nhân hêli 42He có năng lượng liên kết riêng là 7,6 MeV thì năng lượng tỏa ra là (7,6-2,2).4 = 22 MeV Tổng hợp 1g đơtơri thì hạt nhân hêli thì tỏa ra năng lượng tới 160000 KWh lớn hơn nhiều so với năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1g uran Dưới đây là một vài phản ứng nhiệt hạch hạ nhân điển hình với các giá trị năng lượng được giải phóng:

Phản ứng nhiệt hạch có khả năng cung cấp cho chúng ta một năng lượng còn lớn hơn cả năng lượng của phản ứng phân hạch, đó là ưu điển nổi bật đã biết Bên cạnh đó, phản ứng nhiệt hạch còn có những ưu điểm quan trọng khác như:

- Dữ liệu uran trên Trái Đất không có nhiều, ngược lại đơtơri thì có thể coi là vô tận vì trong nước thường ( nước sông , nước biển…) cứ 6000 phân tử nước thì có 2 phân

tử D2O

- Phản ứng nhiệt hạch được coi là “sạch” vì không để lại các sản phẩm phóng xạ sau khi phản ứng xảy ra

Chương 3: ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

3.1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

3.1.1 Sơ lược về quá trình phát triển của lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân có thể được xem là cơ quan đầu não của nhà máy Năng lượng hạt nhân được các nhà khoa học chú ý khoảng vào đầu thập niên 50 của thế kỷ 20

Lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ I vẫn còn sử dụng ở nhiều nơi Các lò phản ứng hạt nhân thường có tuổi thọ khoảng 50 năm, vì vậy lò thuộc thế hệ thứ I bị đào thải Thế hệ thứ II ra đời thập niên 70 còn thế hệ thứ III ra đời thập niên 90 Lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ IV ra đời với nhiều kì vọng nó sẽ là một hệ thống hoàn hảo vì hiệu ứng nhà kính được giảm tối thiểu, thực hiện an toàn lao động trong suốt quá trình vận hành và nhất là lò này sẽ là “lò phản ứng tự giải quyết” tức là trong mọi trường hợp xảy ra sự cố

có thể không cần đến sự hiện diện của con người

3.1.2 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có khoảng 2,5 nơtron bắn ra Nếu dùng chất làm chậm nơtron để năng lượng nơtron giảm thành nơtron nhiệt (0,1- 0,01 eV) có thể dùng urani tự nhiên để làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền Tính chất này được dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235

,

Pu239, U233)

Trong lò phản ứng hạt nhân (hình 3.1) các thanh nhiên liệu rất mỏng xếp xen kể với các lớp khá dày của các chất làm chậm tạo thành một vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo lò phản hạt nhân

Nơtron nhanh sinh ra trong phản ứng phân hạch sẽ giảm vận tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh hay yếu đi thì dùng các thanh Cadimi có tính hấp thu nơtron nhiệt: chạy yếu thì rút dần thanh Cadimi ra khỏi lò, chạy nhanh thì đút các thanh Cadimi vào trong lò Một hệ thống nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi

Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt về lò nhờ hệ thống bơm đặc biệt Ngoài ra lò phản ứng hạt nhân còn có hệ thống điều khiển và bảo

vệ Hệ thống điều khiển dùng để khởi động, dừng và thay đổi công suất của lò phản ứng

và có thêm cả một lớp bảo vệ bên ngoài để bảo đảm an toàn phóng xạ

Hiện nay, người ta xây dựng nhiều lò phản ứng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, chất làm chậm, chất tải nhiệt khác nhau tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử, sản xuất nhiên liệu hạt nhân…

Dựa vào năng lượng nơtron gây ra phản ứng phân hạch người ta phân loại lò phản ứng nơtron nhiệt, lò nơtron trung gian, lò nơtron nhanh Nơtron nhiệt có năng lượng ở lân cận 0,25eV Nơtron trung gian có năng lượng khoảng 1 keV - 100 keV Nơtron nhanh có năng lượng lớn hơn 100 keV

Nhiên liệu urani giàu U235

, Pu239, U233 đối với lò nơtron chậm, U233, Th232 đối với

lò nơtron nhanh Chất làm chậm thường là graphit, nước nặng Chất tải nhiệt có thể là nước nặng, kim loại lỏng natri, kali, chì, thủy ngân,…

3.1.3 Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân

3.1.3.1 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra

Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân gồm có:

- Bộ phận cung cấp nhiên liệu hạt nhân tạo sự phân hạch và sinh nhiệt

- Bộ phận cung cấp làm chậm nhằm làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo đều kiện cho phản ứng dây chuyền xảy ra

- Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận bên ngoài

- Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân Trong nhà máy hạt nhân thì lò phản ứng làm nhiệm vụ tạo ra phản ứng phân hạch

có điều khiển để có được một nhiệt lượng lớn

3.1.3.2 Nguyên tắc thiết kế lò phản ứng hạt nhân

Để có phản ứng dây chuyền tự duy trì, ta phải làm thế nào để nói chung ít nhất có một nơtron trong số 2,5 nơtron do phản ứng phân hạch lần trước sinh ra có thể gây ra thêm một phản ứng phân hạch tiếp theo Vì vậy, nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu hao các nơtron không phân hạch sau cho điều kiện nêu trên đây được thỏa mãn Các quá trình tiêu hao nơtron một cách vô ích có 3 loại sau:

- Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch (n, )

- Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron

- Các nơtron rò ra khỏi hệ lò, không gây được một hiệu ứng nào cả

Ba quá trình này có ảnh hưởng tới sự hoạt động của lò và có thể bị thay đổi đáng

kể do thiết kế Có thể thay đổi sự bắt nơtron không phân hạch của nhiên liệu bằng kích thước và hình dáng của nhiên liệu, bằng năng lượng trung bình của nơtron trong lò hoặc bằng độ làm giảm của nhiên liệu Mức độ bắt nơtron trong các vật liệu khác phụ thuộc

số lượng và loại vật liệu được dùng để xây dựng lò Còn phần các nơtron rò ra ngoài có thể có thể giảm xuống bằng cách tăng kích thước vỏ bọc lò bằng chất phản xạ làm nhiệm vụ phản xạ các nơtron rò ra khỏi lò bắt nó trở lại Nếu lò là loại sản sinh năng lượng thì ta còn phải thiết kế trong lò một hệ thống lấy nhiệt trong lò sao cho kinh tế nhất và an toàn nhất Do đó người thiết kế phải lựa chọn kích thước, các tham số vật lí sao cho lò tối ưu theo nghĩa tiết kiệm nhiên liệu mà hiệu quả nhất

Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở mức độ công suất cao, ngoài nhiệt năng trong lò còn sản sinh ra một số nơtron, các tia  , các tia  Ngay cả khi lò bị dập tắt cường độ phóng xạ của các tia  và tia  vẫn còn lớn so với một lượng sản phẩm lớn phóng xạ trong quá trình phân hạch gây ra Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kính trong một “vỏ” vật liệu Vật liệu thường được dùng có vỏ là nhôm Ngoài ra để đảm bảo an toàn cho những người làm việc quanh lò phản ứng, ta phải có thêm những