PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN

PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 1. Lịch sử phát minh và các tính chất cơ bản của phản ứng phân hạch Năm 1934, Fermi khi nghiên cứu hiện tượng phóng xạ nhân tạo sinh ra dưới tác dụng của neutron. Khi chiếu neutron lên bia Uran, hạt nhân Uran bị kích thích phóng xạ beta, sau khi phóng xạ hạt nhân sẽ có điện tích tăng lên một đơn vị, nhưng bên cạnh đó ông lại thấy xuất hiện một vài sản phẩm phóng xạ có số Z nhỏ hơn Uran. Nghiên cứu kỹ các sản phẩm phóng xạ đó, O.Hahn và Strassmann thấy rằng chúng ở giữa bảng tuần hoàn. Sau đó Frish và Meitner giải thích hiện tượng kỳ lạ này với giả thuyết rằng, hạt nhân Uran khi bắt neutron sẽ bị kích thích, hạt nhân bị biến dạng phân thành hai mảnh có khối lượng gần bằng nhau (Z 1 , A 1 ); (A, Z 2 ). Z 1 + Z 2 =Z u =92 A 1 +A 2 = A u +1 ≈ A u (3.4.1) • Các tính chất cơ bản của phản ứng phân hạch. a) Khi hạt nhân nặng phân hạch thì năng lượng giải phóng lớn Đặt Q là năng lượng phân hạch (theo đơm vị khối năng lượng) ta có: Q= M u – (M 1 +M 2 ) (3.4.2) Với M u là khối lượng của hạt nhân Uran;

PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN

1. Lịch sử phát minh và các tính chất cơ bản của phản ứng phân hạch

Năm 1934, Fermi khi nghiên cứu hiện tượng phóng xạ

nhân tạo sinh ra dưới tác dụng của neutron Khi chiếu

neutron lên bia Uran, hạt nhân Uran bị kích thích phóng xạ beta, sau khi phóng xạ hạt nhân sẽ có điện tích tăng lên mộtđơn vị, nhưng bên cạnh đó ông lại thấy xuất hiện một vài sản phẩm phóng xạ có số Z nhỏ hơn Uran Nghiên cứu kỹ các sản phẩm phóng xạ đó, O.Hahn và Strassmann thấy rằng chúng ở giữa bảng tuần hoàn

Sau đó Frish và Meitner giải thích hiện tượng kỳ lạ này với giả thuyết rằng, hạt nhân Uran khi bắt neutron sẽ bị kích thích, hạt nhân bị biến dạng phân thành hai mảnh có khối lượng gần bằng nhau (Z1, A1); (A, Z2)

Z1 + Z2=Zu=92

A1 +A2 = Au +1≈Au (3.4.1)

• Các tính chất cơ bản của phản ứng phân hạch.

a) Khi hạt nhân nặng phân hạch thì năng lượng giải phóng lớn

Đặt Q là năng lượng phân hạch (theo đơm vị khối năng lượng) ta có:

Q= Mu – (M1+M2) (3.4.2)

Với Mu là khối lượng của hạt nhân Uran;

M1, M2 là khối lượng của các mảnh.

Khối lượng của hạt nhân được tính bằng:

A m Z A Zm

M = p + ( − ) n − ε

(3.4.3)

Với ε là năng lượng liên kết trung bình tính cho một nuclon Như vậy ta có:

A A

A A

Q = ε1 1 + ε2 2 − ε = ( εTB − ε )

(3.4.4)

, 0 238 0,8.A

Giá trị năng lượng Coulomb của hai mảnh nằm cách nhau một khoảng δ là:

2 2

R có thể tính theo công thức:

cm A

4 , 1 2

) 10 8 , 4 (

46

6 3

13

2 10 2

≈

nghĩa là đúng vào cỡ giá trị năng lượng phân hạch Q

c) Các mảnh phân hạch được tạo thành phải phóng xạ

β

và có thể phát neutron

Kết luận này là hiển nhiên khi nghiên cứu tỉ số giữa

nowtron và số proton trong các hạt nhân bền khác của bảng phân hạng tuần hoàn

Từ các số liệu trên ta thấy, các mảnh phân hạch lúc mới hình thành phải dư thừa nowtron, vì chúng được tạo

thành từ Uran N/Z=16.Tất nhiên các hạt nhân này phát

xạ β, song vì độ dư nơtron rất lớn nên sản phẩm phóng

xạ β lại tiếp tục phóng xạ β nữa…nghĩa là các mảnh

phân hạch tạo nên một dãy phóng xạ β liên tiếp khá dài,

mà thí nghiệm Fermi đã quan sát thấy

Như vậy, một phần năng lượng phân hạch được giải phóng dưới dạng năng lượng phân rã β −Qβ

−

.Ngoài ra cần giả thuyết rằng một phần trong số các

nơtron dư có thể trực tiếp phát ra từ mảnh ở dạng các nơtron phân hạch hoặc nơ tron thứ cấp, các nơ tron này mang theo một phần năng lượng phân hạch Qn

Tất cả các tính chất phân hạch nêu trên đã được phát hiện ngay trong những thí nghiệm đầu tiên, thực hiện năm 1939 ở nhiều phòng thí nghiệm

2 Lý thuyết cơ bản của hiện tượng phân hạch

• Lý thuyết phân hạch được xây dựng từ năm 1939 bởi:

N.Bohr, Willer và Ja.I.Trenkel Họ phân tích giả thuyết củaFrish và Meitner về tính không bền của hạt nhân nặng khi thay đổi hình dạng nhờ mẫu giọt hạt nhân

a) Năng lượng phân hạch

Năng lượng Q giải phóng khi phân hạch:Q Q≈ f +Q B +Q n

Trongđó:

•Qf là động năng các mảnh

•QB là năng lượng biến đổi phóng xạ

•Qn là năng lượng của notron phân hạch (Vì Qn<< nên

Từ công thức Weissacker, tính năng lượng liên kết cho

∆WA ; ∆Wng ; ∆Wnh, thay vào công thức tính Qf ở trên ta sẽ có :

số hạng đầu tiên và số hạng thứ tư triệt tiêu, bỏ qua số hạngthứ 5(quá bé)

là năng lượng coulomb của hạt nhân

Từ công thức Qf ta thu được :Qf = Wm + Wc - (Wm.mảnh

Mức độ về độ lớn của năng lượng giải phóng khi phân hạch

ở dạng động năng của các mảnh được xác định bằng sự thay đổinăng lượng mặt ngoài và năng lượng Coulomb của hạt nhân.Trong trường hợp của Uran phân hạch ta có thể tính được:

Người ta cũng tính được năng lượng Qβgiải phóng trong quátrình phân rã phóng xạ, nhờ công thức bán thực nghiệm, ta thuđược giải phóng trong quá trình phân rã phóng xạ, nhờ côngthức bán thực nghiệm ta thu được Qβ≈20MeV,trong đó

Năng lượng dành cho beta (electron): 5MeV

Năng lượng dành cho gamma: 5MeV

Năng lượng dành cho neutrino: 10MeV

Thay các giá trị của γ và β vào ta có: Z2/A>17 ⇔Qf> 0

Như vậy quá trình phân hạch là một quá trình có lợi về mặtnăng lượng đối với tất cả hạt nhân đứng sau Ag

Kết quả trên là hiển nhiên nếu ta chú ý tới đặc trưng biến đổicủa năng lượng liên kết trung bình tính cho mỗi nucleon theo sốkhối A

Tuy nhiên thực nghiệm không xác nhận kết quả này Người

ta chỉ phát hiện được sự phân hạch ở các nguyên tố nặng như

Th, Pa, U Còn đối với các hạt nhân khác thì không có khả năngphân hạch mặc dù có lợi về mặt năng lượng.

Tuy nhiên cần lưu ý rằng quá trình có lợi về mặt năng lượngkhác với khả năng xảy ra quá trình về mặt năng lượng

Ví dụ :trong phân rã anpha của hạt nhân nặng thì luôn có lợi

về mặt năng lượng, song vì có rào thế Coulomb ngăn cản nênquá trình này không có khả năng xảy ra theo quan điểm của vật

lý cổ điển Phân rã anpha chỉ có thể giải thích theo hiệu ứngđường ngầm trong cơ học lượng tử

Chúng ta có thể thấy đặc tính biến đổi năng lượng của hạtnhân phân hạch cũng giống như trong phân rã anpha

Bây giờ ta hãy xét quá trình ngược với quá trình phân hạch (xemrằng năng lượng các mảnh bay ra sau phân hạch trên một

khoảng lớn bằng 0, năng lượng của hạt nhân phân hạch sẽ là Qf).Chúng ta muốn đi từ trạng thái cuối về trạng thái đầu bằng cách đưa các mảnh lại gần nhau

Wc

r 0

+ Khi các mảnh tiếp xúc với nhau, năng lượng mặt ngoài Wm

không thay đổi, còn năng lượng Coulomb tăng đến giá trị:

) /(

2

ng nh

ng nh

/ 1

13 ( 2 / 5 ) 6 , 35 10 10

3 ,

=

13 3

/ 1

13 ( 3 / 5 ) 7 , 3 10 10

3 ,

=

Từ đó ta có:

W m +W c =W c(R ng +R nh) ≈ 214MeV

Tức là lớn hơn năng lượng ban đầu của hạt nhân Qf ≈180MeV.Mặc dù các số liệu tính toán trên cũng chưa thật chính xác, nhưng nó chứng tỏ rằng năng lượng của giai đoạn đầu nhất thiếtphải có sự tăng năng lượng

Chúng ta gải thiết rằng, khi hạt nhân bắt neutron, có bị kích thích dao động tùy theo năng lượng kích thích sẽ xảy ra một trong 2 trường hợp:

- Khi năng lượng kích thích nhỏ hạt nhân sẽ dao động từ dạng hình cầu sang dạng ellipdsoide và ngược lại Lực đàn hồi kéo hạt nhân từ dạng ellipdsoide về dạng hình cầu ban đầu chính là lực căng mặt ngoài của hạt nhân

- Khi năng lượng kích thích đủ lớn, hạt nhân có thể vượt qua điểm tới hạn biến dạng đà hồi, sau đó không thể phục hồi hình dạng ban đầu của hạt nhân nữa Lự đẩy Coulomb hai đàu làn cho hạt nhân cứ kéo dài ra mãi đi qua các dạng sau đây: cầu, ellipdsoide,quả tạ, quả lê, 2 quả cầu

Lực đẩy Coulomb mạnh đến nỗi lực căng mặt ngòai không

đủ sức tác dụng bù trừ lại nữa, và đến giai đoạn sau (kể từ khi cóhình quả tạ thì lực căng mặt ngoài còn giúp đỡ cho quá trình

phân hạch, làm cho hai quả tạ bị tách ra có thể lấy lại được hình cầu ổn định hơn.

Nếu ta giả thiết rằng hình dạng ban đầu của hạt nhân biến dạng thì hình ellipdsoide hình thành là ellipdsoide tròn xoay thì

có thể tính được sự biến đổi năng lượng mặt ngoài và năng

lượng Coulomb Giả sử ellipsoide tròn xoay có trục lớn a =

R b

+

=

1

, ε là một tham số bé Cách chọn trục như vậy nhằm thỏa mãn tính không nén của chất lỏng hạt nhân, do thể tích trong quá trình biến dạng không đổi

3

2 ( 4 / 3 )

).

3 / 4

V elip = π = π

Diện tích mặt ngoài elip:

2 [(1 ) arcsin / ]

2 /

1 γ γ γ

W

Wm là năng lượng ngoài của hình cầu, do đó năng lượng ngoài tăng theo ε.

Còn giá trị năng lượng Coulomb khi có dạng ellipsoide có thể được tìm thấy từ phương trình Poisson, đối với một

ellipsoide tròn xoay có diện tích phân bố đều theo thể tích,

Tổng năng lượng mặt ngoài và năng lượng coulomb quyết định độ lớn của năng lượng phân hạch nó thay đổi theo ε như sau:

Như vậy, khi có những biến dạng ellipsoid nhỏ thì năng

lượng hạt nhân ban đầu tăng lên có một năng lượng ngưỡng, có một hàng rào Wf Hàng rào này là cho quá trình phân hạch không có khả năng theo quan điểm vật lý cổ điển, nói chính xác hơn là xác suất nhỏ, ngay cả khi có lợi về mặt năng lượng

Chiều cao của rào Wf càng nhỏ nếu 2Wm – Wc càng nhỏ, nghĩa

là tỷ số sau đây càng nhỏ, nghĩa là tỉ số sau đây càng nhỏ

2 3

/ 1 2

3 / 2

2 2

2

Z A A

Z

A W

W

c

m

γβγ

=

Nghĩa là tham số phân hạch Z2/A càng lớn

Z /2 Z /2 A

Khi = 49 thì W f = 2W e −W c = 0, phân hạch của loại hạt nhân này có Z phải cỡ 120, phải xảy ra phân hạch tự phát và tức thời có giá trị = 49 chỉ là gần đúng, trong nhiều phép tính khác nhau (nó vào cỡ 45 đến 49)

Muốn cho một hạt nhân với tham số phân hạch < 49 phân hạch được nhanh ta cần phải đưa vào hạt nhân một năng lượng kích thích phụ W vượt qua rào phân hạch

n

T ' T ' n εn +T ' n Eγ W f

W > Năng lượng này có thể đưa vào hạt nhân bằng cách chiếu hạt nhân bằng bức xạ nào đó Ví dụ tia

γ, với > Wf Đây chính là phương pháp thực nghiệm

để xác định rào phân hạch Còn đối với neutron thì: W=

> năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân A+1;

là động năng tương đối neutron đối với hạt nhân

• : phân hạch có thể xảy ra dưới tác dụng của neutron nhiệt.

MeV ; còn đối với Uran (235) thì

Sự khác nhau trong quá trình phân hạch của các đồng vị Uran (238) và Uran (235) chủ yếu do hai nguyên nhân:

• Do đó khi chuyển từ đồng vị Uran (235) thì rào phân hạch giảm còn năng lượng liên kết neutron thì tăng lên vượt qua rào phân hạch Phép tính và thực nghiệm cho thấy rào phânhạch của Uran (236) cỡ 6MeV và của Uran (239) cỡ 7MeV.Năng lượng liên kết của neutron trong Uran (235) là

6,5MeV, vượt qua rào phân hạch và εn của Uran (238) là 6MeV nhỏ thua rào phân hạch cỡ 1MeV

ra dưới tác dụng của các hạt nhanh, năng lượng lớn <

170 MeV (hình c) Với các hạt nhân rất nhẹ ( < 17) thì quá lớn so với ε, quá trình phân hạch không có lợi

về mặt năng lượng (hình d)

Cuối cùng ta nêu lên ở đây những nhận xét sau:

Lý thuyết phân hạch được trình bày đơn giản trên, mô

tả đúng bức tranh chung nhất của hiện tượng phân hạch trên các hạt nhân nặng, nhất là U, Pa, Th Nó cho phép giải

thích một loạt các quy luật quan sát thấy trong thực

nghiệm, cũng như tiên đoán nhiều hiện tượng mới Ví dụ phân hạch phát, quá được trính phân hạch các hạt nhân không nặng lắm tác dụng của các hạt nhanh, năng lượng lớn

Tuy nhiên, lý thuyết cũng có những thiếu sót cơ bản như không giả thích được một trong những điểm quan trọng nhất của hiện tượng phân hạch đó là tính chất bất đối xứng

rõ rệt của các mảnh phân bố theo khối lượng Hơn nữa, theo lý thuyết trên đây thì phân hạch thành hai mảnh có khối lượng bằng nhau phải xảy ra với xác suất lớn, tuy nhiên trong thực tế lại không phải như vậy

49

3 Khả năng sử dụng năng lượng phân hạch

Các neutron thứ phát ra cấp trong phản ứng phân hạch dẫn đến khả năng tạo phản ứng dây chuyền Giả sử mỗi hạt nhân phân hạch làm phát ra hai neutron thì trong trường hợp lí tưởng chúng có thể gây ra phân hạch trên hai hạt nhân Uran tiếp theo do đó xuất hiện 4 neutron gây phân hạch trên 4 hạt nhân Uran Tốc độ của quá trình rất nhanh làm cho trong một thời gian rất ngắn số phân hạch đạt được giá trị khổng

lồ làm tỏa ra năng lượng hạt nhân gọi là năng lượng nguyên tử lớn

Phản ứng phân hạch dây chuyền được Zeldovich và Hairston nghiên cứu lí thuyết năm 1939 Nếu gọi k là hệ số nhân notron, thì phản ứng dây chuyền nếu K lớn hơn hoặc bằng 1.

Khi K>1 phản ứng dây chuyền tăng, công suất tăng

Khi K=1 phản ứng dây chuyền không tăng, công suất không thay đổi

Khi K<1 hệ dưới mức tới hạn

Sự thất thoát netron do các quá trình cơ bản sau:

- Bay ra khỏi hệ

- Bị Uran bắt nhưng không gây phân chia

- Bị chất làm chậm, các tạp chất, các sản phẩm phân hạch bắt

K là hệ số nhân neutron, với K =K∞χ Trong đó χ là xác suất để neutron tránh rò rỉ, giá trị của χ phụ thuộc vào dạng hình vẽ và tính chất của thành phản xạ K∞ là hệ số nhân neutron của môi trường kích thước vô hạn

4 Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của lò phản ứng hạt nhân 4.1 Cấu tạo của lò phản ứng hạt nhân.

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

Các yếu tố cấu thành lò phản ứng bao gồm:

1 Nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch

2 Chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtronsinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạchtiếp theo.

3 Chất tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạchhạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận bên ngoài

4 Các thanh điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch củanhiên liệu hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân sử dụng nhiên liệu gì?

Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất cókhả năng phân hạch như Uranium hoặc Plutonium

dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụngchúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứnglàm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm than chì

Nước làm nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền, nhưng khả năng hấpthu nơtron lớn, nên không thể sử dụng Uranium tự nhiên làmnhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ

Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Uranium được làmgiàu trên dưới 4% ở dạng ôxít Uranium Còn Pu thì thích hợplàm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh

a Hấp thu nơtron hiệu quả

b Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao

Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là nhữngnguyên tố có số nguyên tử nhỏ.

Các loại chất làm chất làm chậm thông thường:

1 Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt,

giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thu nơtron một cáchlãng phí

2 Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt; do không hấp thunơtron một cách lãng phí, nên có thể nói đây là chất làm giảmtốc lý tưởng, nhưng giá thành rất cao và khó điều chế

3 Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại ít

hấp thu nơtron và giá tương đối rẻ

Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân là gì?

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoàiđược gọi là chất tải nhiệt

Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; lò nướcnặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụngchất tải nhiệt là khí CO2 hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì sửdụng chất tải nhiệt là Natri

Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân là gì?

Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phảnứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thu nơtron.Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là Boron hoặcCadmium

Có những loại lò phản ứng hạt nhân nào?

Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân,chất làm chậm và chất tải nhiệt

Dưới đây là một số loại lò phản ứng hạt nhân hiện nay đangđược sử dụng trên thế giới:

- Lò khí

- Lò nước nặng

- Lò nước nhẹ

- Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh

Ngoài ra, còn có một số loại lò phản ứng hạt nhân khác đượcthiết kế, nhưng vẫn chưa được đưa vào sử dụng

Lò khí

Lò khí là loại lò sử dụng khí làm chất tải nhiệt Loại lò này chủyếu phát triển ở Anh Chất làm chậm là than chì và nhiên liệu cóthể sử dụng Uranium tự nhiên

Lúc đầu, loại lò này được dùng để sản xuất Pu (cho mục đíchquân sự) và dùng không khí làm chất tải nhiệt

Để phát triển loại lò này thành lò phản ứng phát điện, cần phảinâng nhiệt và áp lực của khí -chất tải nhiệt Vì không thể sửdụng được không khí, nên khí CO2 được dùng làm chất tải nhiệt

Từ đó đã ra đời loại lò khí kiểu Anh sử dụng trong nhà máy điệnhạt nhân

Để cạnh tranh được với lò nước nhẹ đang dần trở nên phổ biến,người ta nâng thêm nhiệt độ và áp lực của khí (chất tải nhiệt).Tuy nhiên, nhiệt độ của khí CO2 tăng cao tới mức độ nào đó sẽkhông ổn định và vì thế mà không thể sử dụng được Người ta

đã phát triển loại lò khí tiên tiến hơn, sử dụng chất tải nhiệt làHeli, có thể ổn định ngay cả khi nhiệt độ cao, nhưng lại gặp khókhăn về kỹ thuật và kinh tế nên không thể cạnh tranh được với

lò nước nhẹ