Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 20 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
20
Dung lượng
590,68 KB
Nội dung
Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng Mục tiêu chọn đề tài Dạy học vật lý – môn khoa học thực nghiệm- ln ln địi hỏi người giáo viên phải nắm kỹ thực hành thí nghiệm cách bố trí thí nghiệm dùng phương pháp mơ Nhưng với chương IX – Vật lý 12, chương trình cần truyền tải đến cho học sinh lại thuộc vào lĩnh vực vật lý đại – Vật lý hạt nhân, việc thực thí nghiệm mơ hình mơ khơng thể thực Người giáo viên cịn cách, nắm thật kiến thức lý thuyết tham khảo thêm tài liệu lý thuyết khác Trong phải kể đến nhiều kiến thức tham khảo đưa giả thuyết, mô hình nhằm giải thích số tính chất hạt nhân Ví dụ như: Hiện chưa có lý thuyết hạt nhân toàn diện nên người ta đành phải xây dựng mẫu hạt nhân Mẫu hạt nhân đơn giản cách xem xét hạt nhân, giải thích tính chất phạm vi rộng lớn Tính ích lợi trắc nghiệm khả đưa nhũng tiên đoán mà thực nghiệm kiểm chứng Hiện có hai mẫu hạt nhân tỏ hữu ích mẫu giọt mẫu hạt độc lập Vì vậy, kiến thức vật lý hạt nhân rộng cịn chứa nhiều bí ẩn người Khi dạy học phần này, thày cô giáo thường yêu cầu học sinh công nhận số kiến thức ( có số kiến thức học sinh dễ dàng chấp nhận hiểu dựa vào kiến thức hoá học biết) Với học sinh giỏi, việc chấp nhận kiến thức thày đưa ra, em cịn muốn tìm hiểu sâu Ví dụ có phản biện từ phía học sinh tơi giảng cho em cách dùng tỉ lệ (số hạt nhân Pb206/ số hạt nhân U238) tìm tự nhiên ngày để xác định tuổi Trái đất, dùng tỉ lệ (số hạt nhân Ar40/ số hạt nhân K40) để xác định tuổi mẫu đá lấy từ Mặt trăng để xác định tuổi Mặt trăng Các em đưa câu hỏi rằng: Nếu cho ban đầu không tồn hạt nhân Pb206 ( Ar40 nào) tuổi Trái đất (hoặc Mặt Trăng) xác định vậy, dám ban đầu bề Mặt Trái đất khơng có chì bền? Vì vậy, muốn dạy tốt phần này, phải đọc nhiều tài liệu, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác để phục vụ tốt cho giảng Học sinh thích nghe tìm hiểu xem sao, cách chế tạo bom nguyên tử? Hay làm cách để sản xuất điện nhà máy điện nguyên tử? Tại nay, Việt Nam chưa xây dựng nhà máy điện nguyên tử - ích lợi từ nguồn lượng hạt nhân mang lại phủ nhận được? Trong đề tài này, tổng hợp số kiến thức liên quan đến việc sử dụng lượng hạt nhân lý thuyết thực tế, kèm theo với số khó khăn mà phải đối mặt sử dụng chúng Tôi có tổng hợp số tập có liên quan đến việc sản xuất điện năng, làm chậm nơtron, vai trò hệ số nhân nơtron phản ứng phân hạch, lượng toả từ bom nguyên tử bom nhiệt hạch, Vì tuổi đời tuổi nghề trẻ, đứng trước mảng kiến thức mẻ (đối với Việt Nam) nên viết khơng tránh khỏi có khiếm khuyết Rất mong nhận đón nhận đóng góp chân tình thày giáo bạn đồng nghiệp để viết hồn thiện Tơi mong viết phần làm cho giảng thày cô giáo sinh động Phủ lý, tháng - 2007 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng Người viết Vũ thị lan hương I Mở đầu Vấn đề nhiên liệu sử dụng sinh hoạt, phục vụ đời sống người đặt cách cấp bách Khái niệm nhiên liệu bao gồm nhóm chất cháy có sở Cacbon ứng dụng nhiên liệu để thu nhiệt cháy Ngoài ra, tất nhiên liệu, không trừ ngoại lệ nào, dùng trở thành nguyyên liệu quan trọng cơng nghiệp hố chất.Ngồi than đá than nâu cịn có dầu mỏ, khí đốt, than bùn, đá dầu, gỗ thuộc vào loại nhiên liệu Nhiên liệu khơng có giá trị ngang lượng chứa chúng Những chất chứa lượng chủ yếu thời đại dầu mỏ, khí thiên nhiên than Vào cuối năm 1970, giới, hàng năm sản xuất lượng lượng tương đương tỷ t.n.q ( nhiên liệu quy ước), 47% số lượng dầu mỏ cung cấp, 30% than 17% khí, 6% tổng số lượng tổng cộng tất nguồn khác( gồm lượng thu nhà máy thuỷ điện nhà máy điện nguyên tử, lượng Mặt trời, lượng gió, lượng thuỷ triều số dạng lượng khác) Dầu mỏ chiếm vị trí đặc biệt số loại nhiên liệu Ngun nhân khơng phải dầu mỏ cho phép thu nhiên liệu lỏng cho ôtô, máy bay, tàu biển, xe lửa dễ nhiều so với than Mà vấn đề việc khai thác sử dụng dầu mỏ rẻ nhiều so với việc sản xuất lượng tương đương từ nguồn khác Cho nên người ta cố gắng thoả mãn nhu cầu lượng trước hết nhờ dầu mỏ Hàng năm, người ta phát ngày nhiều mỏ khoan thêm nhiều giếng khoan Việt Nam nước có trữ lượng dầu mỏ lớn, có điều chưa thăm dị khai thác nhiều chưa sử dụng triệt để nguồn nhiên liệu Hiện phải xuất dầu thơ, sau nhập xăng chế phẩm dầu mỏ từ nước Và câu hỏi đặt ngày cấp bách đáng lo ngại hơn: dầu mỏ đủ cho người năm nữa? Cách đánh giá chuyên gia không thống với nhau: 20, 30, 50 năm Nhưng nói chung dự đốn nói nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt khoảng vài chục năm tới Dầu mỏ ngày đắt Những mỏ dầu phát q sâu, vùng khơng có người ở, khó khai thác, có lại nằm đáy biển, đáy đại dương Giếng khoan sâu đường vận chuyển dài (kể ống dẫn) giá thành dầu mỏ cao Và tiến gần tới giới hạn cạn kiệt nguồn nhiên liệu khoáng quan trọng bao nhiêu, trở nên đắt nhiêu Nguồn dầu mỏ Trái đất – dù trữ lượng dự đoán địa chất hay trữ lượng thăm dò thấp nhiều so với trữ lượng than Trữ lượng than, dầu mỏ, khí giới ( tỷ nhiên liệu quy ước) Trữ lượng địa chất Than đá 7725 Trữ lượng thăm dò, khai thác 493 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng Than nâu Dầu mỏ Khí thiên nhiên 2399 380 345 144 144 80 Như trữ lượng than lớn, hiệu suất sử dụng nhiệt lượng trình đốt cháy than chưa cao vấn đề khí thải làm nhiễm mơi trường đặt Hiện người ta khơng khai thác than mà cịn nghiên cứu phương pháp chế biến hoá học nhiên liệu cách hợp lý Chuyển hoá than thành nhiên liệu lỏng, có nhiên liệu động vấn đề quan trọng khoa học kỹ thuật Nhưng trình điều chế dầu mỏ nhân tạo từ than cịn nhiều nhược điểm: Chi phí lượng nhiên liệu lớn; tổ hợp máy hoá lỏng than làm việc nhiệt độ áp suất cao Nhiên liệu lỏng từ than đắt dầu mỏ nhiều Những cơng trình theo hướng quan trọng sử dụng nhiên liệu rắn nghiên cứu đem vào áp dụng thực tế ( với nhiều thận trọng) Trong số ngành công nghiệp điều chế sản xuất lượng việc sử dụng nhiên liệu rắn, phải kể đến vai trị vơ to lớn lượng hạt nhân Chúng ta làm phép so sánh sau để thấy ta nhận lượng từ 1kg vật chất tác động khác (Thời gian t thời gian dùng để thắp sáng bóng đèn 100W) Dạng vật chất Nước Than UO2 làm giàu (3%) U235 Khí Đơtêri nóng Vật chất phản vật chất Q trình Thác nước cao 50m Đốt cháy Phân hạch lò phản ứng Phân hạch hoàn toàn Tổng hợp hoàn toàn Huỷ hoàn toàn Thời gian t 5s 8h 690 năm 3.104 năm 3.104 năm 3.107 năm Như vậy, tính cho 1kg, lượng mà ta nhận từ Uran lớn gấp hàng triệu lần từ than từ nước đổ xuống Tuy nhiên có q trình ba dòng bảng thực thực được; ba dòng lại biểu diễn giới hạn lý thuyết thực thực tế ( Ví thời gian để phân hạch hồn tồn 1kg Urani U235 vơ cùng) Khi cặp vật chất phản vật chất gặp huỷ hồn tồn ( ví dụ: electron pôzitôn gặp huỷ tạo hai phơtơn gamma có lượng lượng nghỉ electron pôzitôn tức cỡ 0,51MeV) Khi ta sử dụng hết khối lượng vật chất phản vật chất – nghĩa ta chẳng cịn làm thêm Cịn tổng hợp nhiệt hạch chưa thực điều kiện kiểm sốt Bạn tưởng tượng, cung cấp nhiệt độ cao cho bom nhiệt hạch (bom H) cách dùng ngòi nổ bom nguyên tử (bom A), cho nổ điều kiện tự nhiên, với nhiên liệu Đơtêri, có nhiều nước, mà bề mặt Trái đất có 3/4 nước, khả huỷ diệt phản ứng nhiệt hạch khơng thể lường hết Vì vậy, khả sử dụng lượng hạt nhân phản ứng phân hạch Uran khả thi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng II Phân hạch hạt nhân - trình bản: Vào năm 1930, Enrico Fecmi cộng ông Roma phát nguyên tố khác bị bắn phá hạt đạn tạo ngun tố phóng xạ Fecmi tiên đốn rằng, nơtron khơng tích điện nên đạn hạt nhân tiện ích; khơng prơtơn hạt không chịu lực đẩy Culông tiến tới gần bề mặt hạt nhân Các nơtron nhiệt nơtron trạng thái cân với vật chất nhiệt độ phịng, tức có động cỡ 0,04eV, hạt đạn đặc biệt tiện ích Năm 1939, hai nhà hoá học người Đức Otto Hann Fritz Strassman tiếp tục cơng trình khởi phát Fecmi cộng ông, bắn phá dung dịch muối Uran nơtron nhiệt nói Bằng phép phân tích hố học, họ tìm thấy sau bắn phá, xuất số nguyên tố phóng xạ có nguyên tố hoá học giống Bari Làm nguyên tố có khối lượng trung bình (Z = 56) lại tạo bắn phá Urani (Z =92) nơtron? Câu trả lời giải đáp sau tuần Lise Meitner Otto Frish Họ chứng tỏ hạt nhân Urani hấp thụ nơtron nhiệt tách thành hai phần gần kèm theo giải phóng lượng Một hai thành phần Bari Họ gọi tên trình phân hạch ( fission - thuật ngữ vay mượn từ sinh học có nghĩa phân bào) Người ta chứng tỏ hai mảnh trình phân hạch khơng có khối lượng động Hai mảnh có khối lượng động kiện hãn hữu Các số khối có xác suất lớn tìm thấy tập trung xung quanh A 95 A 137 Một hạt nhân nặng hấp thụ nơtron vỡ làm hai hạt nhân trung bình kèm theo vài nơtron kèm theo toả nhiệt Loại phản ứng gọi phản ứng phân hạch Về mặt cơng nghệ, có ba hạt nhân phân hạch có vai trị quan trọng, 235 92U (tự 235 238 239 nhiên, tỉ lệ U /U 0,72%) ; 233 92U 94 Pu (các hạt nhân nhân tạo) Các sản phẩm phân hạch thu từ phân hạch hạt nhân khơng phải Phương trình kiện phân hạch điển hình hạt nhân 235U hấp thụ nơtron nhiệt, tạo thành hạt nhân 236U trạng thái kích thích cao Và hạt nhân 236 U* phân hạch vỡ thành hai mảnh Hai mảnh nhanh chóng phát hai nơtron nhanh để lại 140Xe 94Sr hai mảnh phân hạch Vậy có phương trình: U 01n 235 92 U * 140 54 Xe 36 92 94 38 Sr 01n Cả hai mảnh không bền Chúng phân rã , tạo electron đạt đến sản phẩm bền cuối 140 54 140 140 140 Xe 140 55 Cs Ba 57 La 58 Ce T 14 s T =64s T =13ngay T =40h LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Phản ứng phân hạch – Lý thuyết Nam ứng dụng Và 94 38 Sr T =75s Y 94 39 94 40 Zr ( T =19min 140 58 Ce 94 40 Zr đồng vị bền) Cuối ta viết phương trình phân hạch sau: U 01n 235 92 U * 140 58 Ce 36 92 94 40 Zr 01n 10 e U235 cịn có phân hạch khác: U 01n 235 92 U * 141 56 Ba 36 92 92 36 Kr 301n Lý giải không bền mảnh sau phân hạch giải thích sau: Các 92 36 Kr đồng vị nhẹ, có số prơtơn Z số nơtron N xấp xỉ bền vững Các đồng 0n vị có số nơtron dơi nhiều 236 92U n bền vững có tính phóng xạ (Khơng có n 235 đồng vị bền có Z > 83) Hãy xét hạt nhân 92U , 0n số prơtơn 92 cịn số nơtron 144, tỉ 141 56 Ba số nơtron/prôtôn khoảng 1,6 Các mảnh ban đầu tạo sau phân hạch giữ nguyên tỉ số nơtron/ prơtơn Tuy nhiên, đồng vị bền vùng khối lượng trung bình có tỉ số nơtron/ prơtơn cỡ từ 1,3 đến 1,4 Vì mảnh ban đầu giàu nơtron cho “văng” số nhỏ hạt ( ví dụ phân hạch số nơtron “văng” 2; thông thường số nơtron tạo sau phân hạch U235 3) Các mảnh lại cịn q giàu nơtron nên khơng bền vững chúng tự làm “mất bớt” số nơtron cách phóng xạ ( Thực chất q trình phóng xạ biến đổi nơtron thành prôtôn , electron nơtrinô: 01n 11 p 10e ) Khi dùng đường cong lượng liên kết, người ta thấy đồng vị nặng (A 240), lượng liên kết riêng (trung bình, tính cho nuclơn) cỡ 7,6MeV Đối với đồng vị có khối lượng trung bình (A 120) giá trị vào khoảng 8,5MeV Hiệu lượng liên kết toàn phần hạt nhân nặng nói phân hạch vỡ ra, tạo hai mảnh giả thiết giống hệt là: Q 2.(8,5MeV ) A (7,6 MeV ) A 200 MeV (xem tập 2) Nếu kiện phân hạch xảy khối chất rắn, phần lớn lượng phân rã cuối làm tăng nội vật, thể tăng nhiệt độ Khoảng 5–6% lượng phân rã liên quan đến hạt nơtrinô phát phân rã mảnh ban đầu Năng lượng hạt nơtrinô mang khỏi hệ vĩnh viến bị Vậy số đồng vị nặng 235U 239Pu lại dễ dàng bị phân hạch tác dụng nơtron nhiệt, đồng vị nặng khác 238U 243Am lại khơng thể? Điều giải thích hấp thụ nơtron nhiệt cung cấp cho đồng vị lượng định Nếu lượng đủ lớn để đồng vị vượt qua bờ xuyên qua đường ngầm phân hạch xảy Năng lượng cực tiểu cần cung cấp cho hạt nhân để làm vỡ hạt nhân gọi ngưỡng phân hạch hay LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng lượng kích hoạt Đối với 238U 243Am lượng mà nơtron nhiệt cung cấp không đủ lớn nên sau hấp thụ nơtron nhiệt, hạt nhân phức hợp xạ gamma trở trạng thái ban đầu Muốn 238U 243Am phân hạch, cho chúng hấp thụ nơtron có lượng phải cỡ 1,3MeV ( thay 0,04eV cũ), xác suất xảy phân hạch nhanh hai đồng vị đáng kể Lý thuyết chứng tỏ lượng kích hoạt phụ thuộc vào tỉ số Z2/A theo hệ thức: Wk 0,18 A2 (5,2 0,117 Z2 ) MeV A Trong Z điện tích A số khối hạt nhân bị phân hạch Khi Z2/A lớn lượng kích hoạt rát nhỏ Do hạt nhân nặng phân hạch khơng hấp thụ nơtron mà cịn phân hạch tự phát Đối với U235 Z2/A =35,9, lượng kích hoạt Wk 6,6MeV , lượng kích thích sau hấp thụ nơtron nhiệt lại có giá trị: (mU 235 mn mU 236 ).c2 6,8MeV nghĩa lớn lượng kích hoạt Wk ( ngưỡng phân hạch) Vì bắt nơtron nhiệt, hạt nhân U235 phân hạch Đối với U238 Z2/A =35,46, lượng kích hoạt Wk 7MeV , lượng kích thích sau hấp thụ nơtron nhiệt lại có giá trị: (mU 238 mn mU 239 ).c2 6MeV nghĩa nhỏ lượng kích hoạt Wk ( ngưỡng phân hạch) Vì hạt nhân U238 vỡ hấp thụ nơtron có động lớn (7 – ) MeV = 1MeV Tuy nhiên có điều vô thú vị khối Uran tự nhiên chứa khoảng 0,7% đồng vị U235, 99,3% chứa đồng vị U238 (coi không sử dụng được), lại hồn tồn tạo đồng vị có khả phân hạch 239 94 Pu cách cho 238 92U hấp thụ nơtron có lượng 1MeV, sau vài lần phóng xạ Đồng vị 239 94 Pu có khả hấp thụ nơtron chậm phân hạch toả lượng Hạt nhân U235 vỡ hấp thụ nơtron chậm nơtron nhanh Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm U235 lớn nhiều so với hấp thụ nơtron nhanh III phản ứng dây chuyền Muốn phản ứng dây chuyền xảy điều kiện cần thiết hạt nhân vỡ, trung bình phải phát nhiều nơtron Những nơtron lại bắn phá hạt nhân nặng khác gần phản ứng tiếp diễn thành dây chuyền Thực tế nơtron sinh gây phản ứng vỡ hạt nhân, trái lại, có nhiều nơtron bị mát nhiều nguyên nhân khác như: nơtron bị tạp chất nguyên liệu hấp thụ, bị hạt nhân U238 hấp thụ mà không xảy phản ứng phân hạch, bay ngồi thể tích khối Uran Vì vậy, ta không quan tâm nhiều đến số nơtron sinh sau phân hạch mà ta cần quan tâm đến số nơtron (trung bình) tiếp tục tham gia phản ứng phân hạch , số nơtron gọi hệ số nhân nơtron k Hệ số phụ thuộc tỉ số số nơtron sinh số nơtron mát nguyên nhân khác Muốn có phản ứng dây chuyền, hệ số nhân nơtron phải có giá trị: k (xem tập 4) Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền xảy (hệ thống hạn) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Phản ứng phân hạch – Lý thuyết Nam ứng dụng Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền xảy với mật độ nơtron tham gia vào phân hạch không đổi (hệ thống tới hạn); phản ứng dây chuyền điều khiển lị phản ứng Nếu k > 1: số nơtron tham gia vào phân hạch tăng liên tục theo thời gian; phản ứng dây chuyền xảy kiểm sốt (hệ thống vượt hạn) Ngồi ra, với khối lượng U235 đủ lớn phản ứng dây chuyền tự phát xảy ra; người ta gọi khối lượng tối thiểu khối hạt nhân để phản ứng dây chuyền xảy khối lượng tới hạn Khi phân hạch, có số nơtron bị “ văng” chúng bị thất theo phương ( số nơtron bị thất tỉ lệ với diện tích mặt ngồi khối chất Uran) Nếu khối lượng đủ lớn, đạt đến giá trị tới hạn (khối lượng tăng tỉ lệ với thể tích khối Uran) tỉ lệ số nơtron sinh số nơtron bị thất thoát giảm Ví dụ: Nếu khối chất Uran có dạng hình cầu tỉ lệ là: 4 r r ; cịn khối chất Uran có dạng hình lập phương tỉ lệ là: 3.4 r r3 r 235 239 Với U nguyên chất khối lượng tới hạn 1kg; cịn Pu ngun 6r chất khối lượng tới hạn 1,235kg (xem tập 3) Nhiệt lượng toả ứng với khối lượng tới hạn tương đương với nhiệt lượng toả đốt cháy hoàn toàn 2000 Tấn xăng tương đương với lượng làm nổ tung 25.000Tấn thuốc nổ TNT (thuốc nổ Trinitrơtoluen) Đó ngun tắc bom hạt nhân Người ta dùng hai mảnh U235 có khối lượng nhỏ 1kg đặt cách xa Dùng khối thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh dính liền với nhau, khối lượng lớn khối lượng tới hạn, kết xảy vụ nổ nguyên tử Trong thực tế khó có U235 ngun chất nên khối lượng tới hạn (của khối quặng Uran ) lớn nhiều Ví dụ hai bom nguyên tử (bom A) thả xuống hai đảo Nhật Bản năm 1945, khối lượng tới hạn 50kg (xem tập 6) IV Lò phản ứng hạt nhân Nguyên tắc lò phản ứng: a Sự làm chậm nơtron va chạm: Mỗi nơtron va chạm vào hạt nhân nơtron lượng phải truyền phần động cho hạt nhân Lý thuyết tính được, động nơtron trước va chạm K0 sau va chạm đàn hồi, nơtron chuyển cho hạt nhân phần lượng trung bình K : K x A 1 ) với : x ( A 1 1 x Như vậy, sau y lần va chạm, động lại nơtron là: K y K0 eK y hay: ln K0 y.K Ky LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng Vậy ta tính số lần cần cho va chạm nơtron với chất làm chậm để thu nơtron chậm là: y K ln Ky K (xem tập 5) b Nguyên tắc lò phản ứng: Khi vỡ hạt nhân trung bình có từ đến nơtron nhanh bắn Nên dùng chất làm chậm nơtron để lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt dùng Uran thiên nhiên làm giàu U235 (trong lò phản ứng hạt nhân người ta thường dùng U235 làm giàu 3%) để thực phản ứng dây chuyền Tính chất dùng lò phản ứng hạt nhân chạy nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (như 235 U; 239Pu; 233U) Để tăng cường hiệu phân hạch hạt nhân Urani,cần phải tách đồng vị 235 U (có khả phân hạch cao) khỏi đồng vị U238 (khả phân hạch kém) Một cách thực điều tạo nên từ Urani khí UF6 ( khí Urani Hexaflorid) cho chúng khuếch tán nhiều lần qua vách ngăn xốp Các phân tử nhẹ khuếch tán nhanh hiệu suất vách ngăn xác định hệ số tách tỉ số hai tốc độ quân phương Ta thấy: khối lượng mol UF6 (U238) 238 +6.19 = 352g khối lượng mol UF6 (U235) 235 + 6.19 = 349, mà tốc độ quân phương tính công thức: v 3RT , nên hệ số tách : v 235 M v 238 M 238 1,00429 M 235 Một nhà máy khuếch tán đồng vị thực tế cần cho khí qua tới 4000 vách ngăn Trong lị phản ứng hạt nhân, Uran thiên nhiên hay Plutôni mỏng xếp xen kẽ lớp dày chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động xảy phản ứng dây chuyền Như nơtron nhanh sinh phản ứng phân hạch bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt chất làm chậm Muốn điều chỉnh lị cho mạnh lên hay yếu dùng Cadimi có tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt (mà khơng gây phân hạch) Muốn lị chạy yếu cho dồn Cadimi vào lị, muốn lị chạy mạnh lên rút dần để bảo đảm số nhân nơtron luôn đơn vị Người ta cho chất làm lạnh chảy theo đường ống vào lò để đảm bảo giữ nhiệt độ lò khơng cao q mức nguy hiểm Nếu lị dùng để cung cấp lượng chất làm lạnh đồng thời chất tải nhiệt, chất phải hấp thụ nơtron Một dòng nước thường nhận nhiệt buồng trao đổi nhiệt biến thành Hơi nước làm quay tuabin máy phát điện buồng ngưng trở buồng trao đổi nhiệt Chất tải nhiệt chạy theo chu trình: lị – buồng trao đổi nhiệt – lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt (sơ đồ SGK) Ngồi lị phản ứng cịn có hệ thống điều khiển bảo vệ Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng thay đổi công suất lò phản ứng Hệ bảo vệ bảo đảm an tồn phóng xạ Để có ý niệm quy mơ, bình lị phản ứng điển hình nhà máy điện công suất 1000 MW cao tới khoảng 12m nặng tới 450 Nước chạy chu trình thứ có lưu lượng cỡ 85 tỉ m3/s c Phân loại lò phản ứng hạt nhân: Lớp bả o vệ bằ ng bê tông Cái phả n xạ Thanh đ iề u LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nh Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng * Tuỳ theo cấu, người ta chia lò phản ứng hạt nhân thành lò đồng thể lò dị thể Trong lò đồng thể, nhiên liệu hạt nhân chất làm chậm nơtron dung dịch đồng thể Nếu phản ứng xảy lị đồng thể phản ứng hạt nhân tiến hành tồn thể tích lò Trong lò dị thể, nhiên liệu phân bố khối chất rắn làm chậm nơtron, chẳng hạn Graphit Những phận chứa nhiên liệu hạt nhân – phần tử toả nhiệt, thường tạo thành hình khơng gian khối graphit Trong lị dị thể phản ứng hạt nhân tiến hành bề mặt phân cách pha * Phân loại theo mục đích sử dụng: Tuỳ theo mục đích sử dụng ( nghiên cứu khoa học, cung cấp lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân) mà lị phản ứng có cấu tạo khác nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm Lò nghiên cứu: dùng để nghiên cứu nơtron, vật lý kỹ thuật nhiệt, ảnh hưởng xạ lên vật liệu, nhờ xác định thơng số nơtron thơng số vật liệu dùng cấu trúc lò phản ứng Lò nghiên cứu cho phép ta chế tạo đồng vị phóng xạ phục vụ cho ngành kinh tế quốc dân, y học, quân sự, Lị thí nghiệm: dùng để kiểm tra tính tốn lý thuyết, tìm đặc trưng tối ưu vùng hoạt tính, vật liệu làm lị, nghiên cứu vấn đề toả nhiệt, điều khiển bảo vệ lò trước đưa vào sản xuất hàng loạt Lò lượng: dùng để cung cấp lượng nhiệt để biến đổi thành điện Lò nhân: dùng để sản xuất đồng vị nhân tạo Pu239 U233 Nguyên liệu dùng U238 Th232 không phân hạch tác dụng nơtron nhiệt Cấu trúc lò sau: vùng hoạt tính U235, Pu239 U233 bao quanh U238 hay Th232, nơtron thoát khỏi vùng hoạt tính bị U238 , Th232 hấp thụ tạo nên Pu239 U233 Vùng gọi vùng tái sản xuất (xem tập 6) * Tuỳ theo lượng nơtron gây phản ứng phân hạch, người ta phân loại : lò phản ứng nơtron nhiệt ( nơtron có lượng lân cận 0,025eV) dùng nhiên liệu có Uran giàu U235, Pu239, U233; lị nơtron trung gian (nơtron có lượng khoảng 1keV đến 100keV); lị nơtron nhanh (nơtron có lượng lớn 100keV) dùng nhiên liệu U238 hay Th232 Chất làm chậm thường dùng graphit, nước nặng Chất tải nhiệt nước nặng, kim loại lỏng natri, kali, bitmut, chì, thuỷ ngân, Năm 1942, Chicago – Mỹ, lần người ta tiến hành phản ứng hạt nhân dây chuyền lò phản ứng dị thể, xây dựng đạo nhà vật lý Fecmi, người Italia Nhà máy điện tàu phá LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng băng chạy lò phản ứng hạt nhân (lò urani graphit) xây dựng giới Matxcơva - Liên Xô năm 1946 ứng dụng lò phản ứng hạt nhân thực tế vấn đề tồn tại: Hiện nay, lị phản ứng hạt nhân phận nhà máy điện nguyên tử Chất tải nhiệt sơ cấp, sau chạy qua vùng tâm lò, chảy qua phận trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh Hơi nước làm quay tuabin máy phát điện, giống nhà máy sản xuất điện thông thường khác Chúng ta biết lượng toả sau phân hạch khoảng 200 MeV, cần khối lượng khoảng vài chục quặng Uran có U235 làm giàu khoảng 3% đủ cho nhà máy hoạt động thời gian năm với công suất tương đương với nhà máy nhiệt điện mà người ta phải đốt khoảng 1,5 triệu than hàng năm Lò phản ứng hạt nhân đặt tàu thuỷ, tàu ngầm Chỉ cần lần nạp nhiên liệu,các tàu hoạt động liên tục vài năm Cho đến nay, nhiều nhà máy điện hạt nhân xây dựng nước công nghiệp phát triển cung cấp lượng điện đáng kể ( có nước, lượng điện nhà máy điện hạt nhân cung cấp lên đến 1/3 tổng điện sản xuất hàng năm) Việt Nam có đề án xây dựng nhà máy điện hạt nhân, cịn gặp số khó khăn Vì muốn phát triển lượng hạt nhân, cần phải đưa chiến lược phát triển sử dụng lượng hạt nhân, có mục tiêu dài hạn ngắn hạn, định hướng nghiên cứu cơng nghệ lị phản ứng, chu trình nhiên liệu hạt nhân, công nghệ xử lý chất thải phóng xạ, khai thác sử dụng nhiên liệu hạt nhân Lý nước giới, có Việt Nam cịn thận trọng việc sử dụng lượng hạt nhân vào việc sản xuất nhiên liệu phục vụ đời sống cịn có hai vấn đề quan trọng cần giải Thứ vấn đề an tồn lị phản ứng Phản ứng dây chuyền phải ln khống chế, khơng, nhiên liệu nóng chảy áp suất tăng cao đến mức làm vỡ thành bảo vệ xung quanh lị (giống giải phóng lượng bom nguyên tử) Khi đó, chất phóng xạ rị rỉ mơi trường bên ngồi, có chất thải có chu kỳ bán rã lên đến hàng triệu năm làm ảnh hưởng đến người sống khu vực khơng vào thời điểm mà kéo dài nhiều hệ sau Sự cố xảy nhà máy điện nguyên tử Trecnôbưn (Ucraina) năm 1986, số nạn nhân chưa thống kê xác số gia tăng (tức 20 năm sau) gia tăng thời gian dài Vấn đề thứ hai việc xử lý chất thải phóng xạ từ nhiên liệu hạt nhân sau hết khối lượng khả dụng Chính vấn đề nghiêm trọng chưa giải thoả đáng Các sản phẩm phân hạch dều có tính phóng xạ cao phần lớn chất phóng xạ sống lâu, nguy hiểm cho sức khoẻ người Khơng cịn giải pháp cho số chất thải phóng xạ ấy, người ta buộc phải bọc chúng khối bêtơng vững chắc, (có thể dùng thêm Bo, chì Pb Cađimi), sau chơn sâu vào lòng đất để chúng “ tự chết” theo thời gian Tuy nhiên, việc chơn sâu lịng đất phần làm giảm bớt nguy cơ, không ngăn chặn hoàn toàn Thời gian gần 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng đây, có ghi nhận việc xử lý chất thải không cách gây hậu nghiêm trọng cho người dân sống gần khu vực có chơn chất thải phóng xạ Ai biết, nguồn lượng to lớn từ hạt nhân nhiều nước quan tâm, người ta sử dụng chúng vào ngành cơng nghiệp, y học, quân Nhưng có lẽ vấn đề gây tranh cãi nhiều việc sử dụng lượng hạt nhân để sản xuất vũ khí hạt nhân (các đầu đạn hạt nhân, bom nguyên tử (bom A), ) Nếu nước nghiên cứu thành công chế tạo vũ khí hạt nhân tràn lan chạy đua vũ trang làm ảnh hưởng tới nhiều dân lành vô tội Vụ thử hai bom nguyên tử hai đảo Nhật Bản năm 1945 Mỹ tiến hành ví dụ V Một số tập có liên quan: Bài tập 1: a Biết lượng liên kết riêng U235 7,4MeV, hạt nhân nặng trung bình (sản phẩm phân hạch) 8,2MeV Tính lượng Q phân hạch? b Lý thuyết phân hạch cho hạt nhân U235 thu nhận nơtron bị kích thích đầu chia làm hạt nhân trung gian cách khoảng d xấp xỉ tổng bán kính hạt nhân ấy: d = R1+R2 = 1,6.10-14m Khi lực hạt nhân không tác dụng mà lực Culông làm hạt nhân trung gian bật Trong trình bật này, chúng phân rã thành hạt nhân sản phẩm phân rã số nơtron Để đơn giản, cho hạt nhân trung gian giống Tính ban đầu U chúng? So sánh Q U ta nói lượng phân hạch? Tính vận tốc hạt nhân trung gian? Hướng dẫn: 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng 235 236 A A' a Phản ứng phân hạch U235 là: 92U n 92U * Z X Z ' X ' k n j 1 e Sau phân hạch, trung bình toả 2,5 nơtron ( từ đến 3) Năng lượng liên kết U235 là: EU = 7,4.235 = 1739 MeV Năng lượng liên kết mảnh là: E = 8,2.(236 – k) MeV Vậy Qtoả = E – EU = 8,2.(236 – k) – 1739 Nếu k = 2: Qtoả = 179,8 MeV Nếu k = 3: Qtoả = 171,6 MeV 235 A b Có thể rút ngắn q trình phân hạch U235 thành: 92U n Z X k n Nếu hạt nhân giống hệt khơng có phóng xạ kèm theo hạt nhân có Z = 92/2 = 46, tức điện tích hạt nhân q = +46e khoảng cách d, hai hạt nhân đẩy nhau, tương tác điện chúng là: U k q2 (46e)2 9.109 3,04704.1011 J 190, 44MeV 14 d 1,6.10 Thế cung cấp động cho hạt nhân Do hạt nhân giống nên k phải số chẵn => k = => Qtoả = 179,8 MeV So sánh ta thấy U Q => lượng mà phân hạch toả chủ yếu có dạng động mảnh sinh Hai hạt nhân giống nên khối lượng m vận tốc v mà hai hạt nhân có coi Hạt nhân có A = (236 – 2)/2 = 117 => lấy cách gần đúng: m = Au = 117u K Q mv Q 180.1,6.1013 v 12,175.106 (m / s) 27 2 m 117.1,66055.10 Bài tập 2: U235 có nhiều kiểu phân hạch, có kiểu sau: U 01n 235 92 90 40 Zr 143 60 Nd n 8e Cho khối lượng nguyên tử: mU235 = 235,0439u; mZr = 89,9047u; mNd = 142,9098u; mn = 1,0087u a Tính MeV lượng mà phân hạch toả ra? b Nếu lấy kết ý a giá trị trung bình lượng toả phân hạch 1g U235 phân hạch hồn tồn toả lượng? Tính khối lượng etxăng cần đốt cháy để toả lượng tương đương? Biết suất toả nhiệt etxăng 46.106J/kg c Giả thiết người ta dùng lượng phân hạch để nhà máy điện nguyên tử có cơng suất 1920 MW (tương đương cơng suất nhà máy thuỷ điện Hồ Bình), hiệu suất 40% hoạt động năm(365 ngày) Tính khối lượng nhiên liệu hạt nhân U235 (đã làm giàu 2%) cần cung cấp cho nhà máy? d Tính khối lượng dầu tiêu thụ năm nhà máy nhiệt điện dùng than có cơng suất trên, hiệu suất 75%? Biết suất toả nhiệt than 3,3.107J/kg Hướng dẫn: a Qtoả = (mU235 - mNd – mZr – 2mn)c2 = 197,4780 MeV 200 MeV 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng b Số hạt nhân U235 nguyên chất có 1g U235 là: N NA m 6,02.1023 2,56.1021 235,0439 Vậy lượng toả 1g U235 (nguyên chất) phân hạch hoàn toàn là: Q 2,56.1021.200 5,12.1023 MeV 8,192.1010 J Khối lượng etxăng cần đốt cháy hoàn toàn để toả nhiệt tương đương là: M 5,12.1023.1,6.1013 1,78.103 kg (tức 1,78 tấn) 46.106 c Nhà máy điện có cơng suất 1920.106W cung cấp lượng Era = 192.107 J 1s, tức Era = 6,055.1016 J năm Vậy lượng cần cung cấp cho nhà máy là: Evào = 1,514.1017 J năm Khối lượng U235 nguyên chất cần phân hạch hoàn toàn để toả nhiệt lượng tương đương là: mU 235 1,514.1017 1,85.106 g 1,85 10 8,192.10 lượng quặng Uran cần có là: MU Vậy khối 1,85T 92,5 0,02 d Khối lượng than cần đốt năm nhà máy nhiệt điện có cơng suất là: M 6,055.1016 2,43.109 kg = 2,43 triệu 0,75.3,3.10 Bài tập 3: Một nhà máy phát điện cỡ lớn hoạt động dựa lò phản ứng hạt nhân kiểu nước nén Công suất nhiệt vùng hoạt động lò phản ứng 3400MW tạo công suất điện 1100MW Nhiên liệu 86000kg Urani dạng 110 Oxit urani phân bố 57000 nhiên liệu Urani làm giàu tới 3% U235 a Tính hiệu suất nhà máy đó? b Các kiện phân hạch xảy vùng hoạt động lò phản ứng với tốc độ R bao nhiêu? c Hỏi U235 dần với tốc độ bao nhiêu? Giả sử điều kiện giai đoạn bắt đầu d Với tốc độ tiêu thụ thế, cung cấp nhiên liệu nhà máy kéo dài bao lâu? e Hỏi khối lượng nghỉ “được biến thành” lượng vùng hoạt động lò phản ứng với tốc độ bao nhiêu? Giải thích khác kết vừa tính kết tính câu c? Hướng dẫn: a Hiệu suất nhà máy: H Era 1100MW 32% Evao 3400MW b Nếu lượng trung bình phân hạch toả 200MeV lò hoạt động chế độ ổn định, tốc độ R kiện phân hạch xảy vùng hoạt động lò là: R P 3400.106 1,1.1020 phân hạch/ s 13 Q 200.1,6.10 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng c U235 dần phân hạch với tốc độ tính câu b, có phần U235 bị hao hụt bắt nơtron mà không gây phân hạch với xác suất khoảng 25% Như tốc độ tiêu thụ toàn phần U235 là: M N 1,25.1,1.1020.235 5,3675.105 kg / s 23 NA 6,02.10 (khoảng 4,64 kg/ngày) d Vì khối lượng nhiên liệu U235 (đã làm giàu 3%) 86000kg, nên khối lượng U235 nguyên chất tham gia phân hạch là: m = 0,03.86000 = 2580kg Vậy nhà máy hoạt động thời gian: t = 2580/4,64 = 556 ngày Tuy nhiên, thực tế, nhiên liệu thay (theo đợt) trước hàm lượng U235 chúng tiêu thụ hết hồn tồn Vì vậy, thời gian hoạt động nhà máy điện hạt nhân ngắn số liệu đuợc tính e Dùng hệ thức Anhxtanh, ta tính tốc độ khối lượng nghỉ là: E 3,4.109 E mc m 0,38.107 kg / s 3,264 g/ngày c (3.10 ) Thực khối lượng U235 bị hao hụt phân hạch 4,64kg/ ngày thời gian đó, khối lượng mảnh sau phân hạch sinh gần 4,64kg/ngày Tốc độ khối lượng nghỉ (3,264g/ngày) đại lượng khác hẳn tốc độ tiêu thụ U235 (4,64kg/ngày) Bài tập 4: Nếu np số nơtron hệ thứ p np+1 số nơtron hệ thứ p +1, k n p 1 / n p gọi hệ số nhân nơtron Gọi T thời gian trung bình việc sinh hệ liên tiếp (T nhỏ) a Tìm định luật biến thiên số nơtron n(t) theo k, T n0 = n(0) Vẽ đại thể đường cong biểu diễn n(t ) ? b Cho T = 0,001s; k = 1,005 Sau 1s; 2s số nơtron tăng lên lần? c Cho T = 0,001s; k = 0,998.Sau 1s, số nơtron lại bao nhiêu? Nếu ban đầu có 1021 nơtron tham gia phân hạch sau lị phản ứng bị tắt hẳn? Hướng dẫn: a Sau thời gian dt nhỏ, số nơtron biến thiên lượng dn Nếu xét thời gian trung bình việc sinh hệ T (T nhỏ), ta có: dn np 1 np np k np n p (k 1) Gọi số nơtron hệ thứ p n dn = n(k – 1) Đây số gia nơtron thời gian nhỏ dt T dn n(k 1) dt T Tích phân hai vế: n n0 e ( dn k dt n T dn k 1 n T dt ln(n) k 1 t C T k 1 )t T * Nếu k > 1: n > n0 => n tăng theo hàm số mũ => phản ứng vượt hạn * Nếu k = 1: n = n0 => n không đổi theo thời gian n k >1 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com n0 k=1 Lan Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng => phản ứng tới hạn * Nếu k < 1: n < n0 =>n giảm nhanh xuống =>phản ứng hạn b Nếu k = 1,005: Sau 1s: Sau 2s: n1 n0 e ( 1,005 1 1) 0,001 ( 1,005 1 2) 0,001 ( 0,998 1 1) 0,001 n2 n0 e n1 148,4 n0 n2 22026,5 n0 n3 0,1353 n3 1,353.1020 n0 c Nếu k = 0,998: Sau 1s: n3 n0 e Lò phản ứng tắt hẳn số nơtron tiến dần tới Giả sử số nơtron lại 1, 0,998 1 t 0,998 1 t vậy: n4 n0 e 0,001 e 0,001 1/ n0 1021 t 24,18s Từ kết tốn trên, nhận thấy ta cần sơ suất thời gian ngắn dẫn đến tắt lị phản ứng bùng nổ bom nguyên tử Bài tập 5: Làm chậm nơtron: a Nơtron sinh phân hạch nơtron nhanh (có động cỡ MeV) Để làm chậm nơtron, người ta cho va chạm với hạt nhân chất làm chậm Giả sử m v khối lượng vận tốc nơtron, M khối lượng hạt nhân chất làm chậm (coi đứng yên) Coi va chạm đàn hồi trực diện, tính tỉ lệ động lại nơtron: r K' sau va chạm? (K động K trước va chạm, K’ động sau va chạm) b Nơtron nhiệt nơtron chậm có động cỡ kT, T nhiệt độ khoảng 300K, k = 1,38.10 - 23J/K số Bơnxơman Tính số va chạm cần thiết để nơtron có động ban đầu cỡ 2MeV trở thành nơtron nhiệt chất làm chậm hạt nhân của: - Graphit 126C ? - Đơtêri 12 D nước nặng D2O? Hướng dẫn: a Va chạm nơtron hạt nhân chất làm chậm va chạm trực diện đàn hồi: - áp dụng định luật bảo toàn động lượng: m.v0 m.v M V (1) mv02 mv MV 2 - Động bảo toàn: Giải hệ phương trình (1) (2) ta được: (2) mM v v0 mM V 2m v mM Trước va chạm, nơtron có động năng: K mv02 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng Sau va chạm với hạt nhân chất làm chậm, nơtron có động năng: Vậy tỉ lệ động cịn lại nơtron là: K' mv 2 K ' v2 mM ( ) K v0 mM KS K' m M 2N r N ( )N ( ) K K mM r Sau N lần va chạm, động nơtron lại Số lần cần va chạm để nơtron trở thành nơtron chậm: ln( KS mM ln( K S / K ) ) N ln( ) N mM K mM ln( ) mM b Nơtron nhiệt nhiệt độ T = 300K có động là: KS = kT = 1,38.10-23.300 = 414.10-23 J = 0,025875 eV Đó động cịn lại nơtron sau N lần va chạm Như vậy, so với động ban đầu, động lại giảm x lần: x rN ( * Nếu chất làm chậm graphit 126C : * Nếu chất làm chậm Đơtêri 12 D : K ' N 0,025875 ) 1,29375.10 8 K 2.10 ln(1, 29375.108 ) 54,363 12 ln( ) 12 ln(1, 29375.108 ) N 8, 2664 1 2 ln( ) 1 N Nhìn kết ta thấy, dùng nước nặng làm chậm nơtron tốt Bài tập 6: Lò phản ứng tái sinh a Nhiều người e ngại việc giúp cho nhiều quốc gia phát triển kỹ thuật lò phản ứng hạt nhân lượng làm tăng nguy xảy chiến tranh hạt nhân lị dùng khơng để sản xuất lượng mà tạo 239Pu sản phẩm phụ thông qua bắt nơtron với 238U không đắt tiền, mà 239Pu lại nhiên liệu cho bom nguyên tử Hãy xác định dãy phản ứng đơn giản liên quan đến việc bắt nơtron phân rã để tạo đồng vị đó? Câu hỏi tương tự cho việc sản xuất U233 cách cho hạt nhân Th232 hấp thụ nơtron? b Trong bom nguyên tử (bom – A), lượng giải phóng phân hạch không điều khiển 239Pu 235U Độ lớn lượng giải phóng thường cho dạng khối lượng thuốc nổ TNT đòi hỏi để tạo giải phóng lượng tương đương ( “công suất danh định” bom) Một Mêga ( 106 tấn) TNT tạo 2,6.1028MeV lượng - Tính “cơng suất danh định” số TNT bom nguyên tử chứa 95kg 239Pu, có 2,5kg 239Pu thực chịu phân hạch Biết lượng trung bình giải phóng cho phân hạch Pu239 180 MeV - Tại lại cịn phải có 92,5 kg 239Pu chúng khơng phân hạch? c Hình bên cho sơ đồ lý tưởng hố bom U235 hoặ c Pu239 khinh khí (bom – H) Nhiên liệu tổng hợp Đơtêri D2 Nhiệt độ mật độ hạt cao cần thiết D 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng cho phản ứng tổng hợp tạo bom nguyên tử (bom – A) khởi động bố trí sóng xung kích nổ hướng vào có tác dụng nén Đơtêri Phản ứng tổng hợp xảy sau: 512 D 23He 24 He 11H 01n - Tính Q phản ứng tổng hợp đó? Cho khối lượng nguyên tử: mHe3 = 3,016029u; mHe4 = 4,002603u; mH1 = 1,007825; mH2 = 2,014102u - Tính “cơng suất danh định” phần tổng hợp bom chứa 500kg D có 30% thực phản ứng tổng hợp? Hướng dẫn: 238 239 239 239 a Chuỗi phản ứng hạt nhân: 92U n 92U * 1 e 93 Np 1 e 94 Pu T = 23phút T = 56giờ T= 24000năm Trong ngành lượng nguyên tử, người ta sử dụng đồng vị U233 thu 232 233 233 233 từ chuỗi phản ứng hạt nhân sau: 90Th n 90Th* 1 e 91 Pa 1 e 92U T = 23phút T = 27,4 ngày T= 160000năm b Số hạt nhân Pu239 có 2,5 kg là: N N A m 6,02.1023 2500 6,297.1024 239 Vậy lượng trung bình toả 2,5kg Pu239 phân hạch hết là: Q 180.6,297.1024 1,13.1027 MeV 1,81.1014 J “Công suất danh định” bom nguyên tử là: 1,13.1027 M 4,3.10-2 106 T 43.103 28 2,6.10 ( tức 43 nghìn thuốc nổ TNT) Khối lượng lại bom chứa 92,5kg Pu239 không tham gia phân hạch, chúng đảm bảo khối lượng tới hạn để phản ứng dây chuyền xảy c Phản ứng tổng hợp: 12 D 23He 24 He 11H 01n toả nhiệt lượng: Q (5.mD mHe mHe mH 2mn ).c Q (5.2,014102u 3,016029u 4,002603u 1,007825u 2.1,008667u ).c 24,875MeV Trong bom H có 500kg Đơtêri có 30% thực phản ứng tổng hợp, tức khối lượng Đơtêri tham gia phản ứng 150kg Số hạt nhân Đơtêri có là: N N A m 6,02.1023 15.104 4,515.1028 Cứ hạt nhân D tham gia phản ứng toả nhiệt lượng Q = 24,875MeV Vậy nhiệt lượng toả bom H nổ là: Q 24,875.4,515.1028 1,123.1030 MeV “Công suất danh định” bom H là: M 1,123.1030 43,196.106 2,6.1028 ( tức 43,2 triệu thuốc nổ TNT) So sánh kết câu c câu d, ta dễ dàng thấy lượng toả phản ứng nhiệt hạch cao nhiều so với lượng toả phản ứng phân hạch Vả lại, cần thoả mãn điều kiện nhiệt độ cao (cỡ 107 K trở lên) phản ứng nhiệt hạch hồn tồn xảy Tuy nhiên, người chưa thực 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng phản ứng nhiệt hạch dạng kiểm sốt Vì vậy, việc nghiên cứu cách thực phản ứng tổng hợp phạm vi kiểm soát nhà khoa học tiến hành với hy vọng đảm bảo cung cấp lâu dài lượng cho nhân loại (dự kiến khoảng vài chục năm nữa) Vả lại, lò phản ứng nhiệt hạch xây dựng tốn kém, có tính phóng xạ mạnh, gây ô nhiễm nhiệt Kết luận Trong đề tài này, tơi trình bày vai trị phản ứng phân hạch việc sản xuất lượng phục vụ đời sống – lý thuyết vấn đề cần giải ứng dụng vào thực tế Với phần nội dung trình bày trên, phần giúp thày cô giáo việc giảng dạy phần kiến thức tương đối mẻ trừu tượng Khi áp dụng vào giảng dạy lớp ( lớp 11 chuyên Lý), thấy em phần hiểu rõ mục đích học tập, mục đích nghiên cứu phần “Vật lý hạt nhân”, tạo hứng thú với em Sau nghe giảng, có nhiều học sinh đề nghị mượn tài liệu phần để em nghiên cứu thêm Như vậy, giảng tạo động học tập, tạo hứng thú, say mê, thích tìm tịi, khám phá học sinh Tôi hy vọng viết tơi góp phần nhỏ bé vào việc nâng cao chất lượng dạy học trường THPT, việc dạy Vật lý đại Tơi hy vọng đề tài tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên dạy chương IX – Vật lý 12 trường THPT dùng chuyên đề nâng cao trường THPT Chuyên Tác giả Vũ Thị Lan Hương 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng Tài liệu tham khảo Vật lí đại cương - Các nguyên lí ứng dụng Tác giả: Trần Ngọc Hợi – Phạm Văn Thiều, NXB Giáo dục- 2006 Cơ sở Vật lí (tập + tập 6) Tác giả: David Halliday - Robert Resnick - Jearl Walker, NXB Giáo dục – 1998 Vật lý đại cương (tập 3) Tác giả: Ngơ Phú An – Lương Dun Bình – Vũ Đình Cự, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp – 1986 Từ điển bách khoa nhà Hoá học trẻ tuổi NXB Giáo dục Hà Nội – NXB Mir Matxcơva – 1990 Vật lý 12 (Sách giáo khoa) Tác giả: Dương Trọng Bái – Nguyễn Thượng Chung - Đào Văn Phúc – Vũ Quang, NXB Giáo dục- 1998 Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi Vật Lý (tập 6) Tác giả: Vũ Thanh Khiết – Nguyễn Thành Tương, NXB Giáo dục – 2004 Bài tập Vật lý 12 (dành cho học sinh chuyên Vật lý) Tác giả: Dương Trọng Bái – Vũ Thanh Khiết – Phạm Viết Trinh, NXB GD2004 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lan Hương – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... Hà Phản ứng phân hạch – Lý thuyết Nam ứng dụng Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền xảy với mật độ nơtron tham gia vào phân hạch không đổi (hệ thống tới hạn); phản ứng dây chuyền điều khiển lò phản. .. – THPT Chuyên Hà Nam Phản ứng phân hạch – Lý thuyết ứng dụng băng chạy lò phản ứng hạt nhân (lò urani graphit) xây dựng giới Matxcơva - Liên Xơ năm 1946 ứng dụng lị phản ứng hạt nhân thực tế... Hương – Phản ứng phân hạch – Lý THPT Chuyên Hà Nam thuyết ứng dụng cho phản ứng tổng hợp tạo bom nguyên tử (bom – A) khởi động bố trí sóng xung kích nổ hướng vào có tác dụng nén Đơtêri Phản ứng tổng