Chương 10 Năng lượng hạt nhân

Chương 10: NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN §1. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH 1932, nhà vật lý người Anh James Chadwick Tới nay có nhiều phương pháp để thu được nơtrôn: nguồn Ra – Be 4 9 12 1 + + 2 4 6 0 He Be C n→ • α phóng xạ từ Radi va chạm với Be của hỗn hợp tạo thành phản ứng 9 12 4 6 ( ,n) Be C α I. Nơtrôn: Nguồn nơtrôn có độ phóng xạ 10 7 nơtrôn/s • Nguồn khác, E γ =1,76 MeV 9 8 ( ,n) 4 4 Be Be γ • Phản ứng bắn phá các hạt nhân bia khác nhau bằng các hạt đạn mang điện như p, d, … nơtrôn được tạo ra đơn năng • Prôtôn năng lượng 2 GeV đập vào một bia, các nơtrôn có cùng năng lượng được bật ra • Vai trò của nơtrôn Phản ứng bắt bức xạ: Nơtrôn bắn vào hạt nhân bia và bị bắt 1 27 28 28 + ( )* + 0 13 13 13 n Al Al Al γ → → Phản ứng phân hạch: Là một loại phản ứng hết sức đặc biệt, dùng nơtrôn bắn vào hạt nhân I. Phản ứng phân hạch • 1939, các nhà vật lý Đức Hahn và Strassman • Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng nơtrôn I. Phản ứng phân hạch • 1939, các nhà vật lý Đức Hahn và Strassman • Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch trên phụ thuộc nhiều vào năng lượng nơtrôn • Trung bình có từ 2 đến 3 nơtrôn thứ cấp phát ra 0 đến 10 MeV • Các mảnh vỡ nói chung thừa nơtrôn nên chúng không bền vững và phóng xạ β− liên tiếp 1 235 236 144 89 1 + * + + 3 0 92 92 56 36 0 n U U Ba Kr n→ → 144 144 144 144 144 56 57 58 59 60 Ba La Ce Pr Nd β β β β − − − − → → → → 89 89 89 89 36 37 38 39 Kr Rb S r Y β β − − − → → → 1 235 236 140 94 1 + * + + 2 0 92 92 54 38 0 n U U Xe Sr n→ → Hai mảnh vở phóng xạ β − liên tiếp: ( bền) 140 140 140 140 54 55 57 58 Xe Cs La Ce β β β − − − → → → 94 94 94 38 39 40 Sr Y Br β β − − → → (bền) • Năng lượng Q giải phóng từ phản ứng phân hạch vào khoảng 200 MeV. Năng lượng này được phân bố như sau: - Động năng của các mảnh phân hạch≈ 170 MeV - Động năng của các nơtrôn thứ cấp ≈ 5 MeV - Năng lượng của tia β− và γ ≈ 15 MeV - Năng lượng của trong phân rã β− ≈ 10 MeV • Phản ứng tiếp diễn và tự duy trì như thế được gọi là phản ứng dây chuyền • Cơ chế phân hạch: Nơtrôn Hạt nhân hấp thụ một nơtrôn nhiệt Nó tạo thành hạt nhân với năng lượng kích thích, nó dao động mạnh. Chuyển động này có thể tạo thành dạng thắt cổ chai. Lực Coulomb làm cho nó duỗi dài ra. Sự phân hạch xảy ra. Hai mảnh tách ra và các nơtrôn nhanh văng ra. §2. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN – NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ I. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Thực hiện được sự phân hạch bằng các nơtrôn chậm 235 92 U Trung bình một phản ứng phân hạch tạo ra khoảng 2,5 nơtrôn thứ cấp 235 92 U 238 92 U Các nơtrôn bị mất mát không gây ra phân hạch đối với là: bị các tạp chất hấp thụ hoặc rò ra khỏi lò bắt mà không gây ra phân hạch, [...]... khi năng lượng nơ trôn giảm (đạt tới 550 barn đối với nơtrôn nhiệt); mặt khác tiết diện bắt nơtrôn của 238U lại tăng khi năng lượng nơtrôn tăng chất làm chậm thích hợp là nước nặng (D2O), Graphit, Be và một số hợp chất hữu cơ • Hệ số nhân nơtrôn k = ηpfε là một thông số trong lò phản ứng hạt nhân Trong đó η là hệ số tái sản xuất, là số trung bình nơtrôn thứ cấp sinh ra khi một nơtrôn chậm bị hạt nhân. .. hoạt động của lò phản ứng được gọi là tới hạn và đó là điều mong muốn để sản xuất ra năng lượng đều đặn và ổn định Các lò phản ứng được thiết kế để có thể k > 1 Phân loại lò phản ứng hạt nhân: Theo nhiên liệu, theo chất làm chậm, theo cách phân bố của nhiên liệu, theo công dụng, … Các đồng vị 239Pu và 235U là những hạt nhân phân hạch với nơtrôn nhiệt II Nhà máy điện nguyên tử Máy phát điện Thanh Urani... Bơm Bơm Chất làm chậm Bộ phận trao đổi nhiệt Bộ phận ngưng tụ §3 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠT NHÂN (NHIỆT HẠCH) 1 PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN 2 1 H + H → He + n (d - t ) , Q = 17,59 MeV 2 1 2 H +1 H →3 He +1 n (d - d ) , Q = 3,27 MeV 2 0 2 1 H + H → H + H (d - d ) , Q = 4,03 MeV 3 1 2 1 Tokamak 4 2 3 1 1 0 1 1 2 PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN TRONG VŨ TRỤ Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lòng các vì sao và trong lòng... 14 7 N→ 15 8 1 1 O→ 15 7 1 1 15 7 N→ 12 6 N +γ 15 8 1 1 H+ O+γ N + e +υ + C + He 4 2 4 H → He + 2e + 2υ + 3γ 1 1 4 2 + Năng suất tỏa nhiệt g(J/kgs) Chu trình (H) trội hơn: sao mờ Chu trình (C) trội hơn: sao sáng (C) 10- 4 (H) 10- 8 10- 12 0 10 20 Mặt trời: 2 chu trình tương đương 30 T (x106K) . He + → + 1 4 1 2 4 2 2 3H He e υ γ + → + + + Năng suất tỏa nhiệt g(J/kgs) 0 T (x10 6 K) 10 20 30 10 -12 10 -8 10 -4 (C) (H) Mặt trời: 2 chu trình tương đương Chu trình (H) trội hơn: sao mờ Chu. của hỗn hợp tạo thành phản ứng 9 12 4 6 ( ,n) Be C α I. Nơtrôn: Nguồn nơtrôn có độ phóng xạ 10 7 nơtrôn/s • Nguồn khác, E γ =1,76 MeV 9 8 ( ,n) 4 4 Be Be γ • Phản ứng bắn phá các hạt. phụ thuộc nhiều vào năng lượng nơtrôn • Trung bình có từ 2 đến 3 nơtrôn thứ cấp phát ra 0 đến 10 MeV • Các mảnh vỡ nói chung thừa nơtrôn nên chúng không bền vững và phóng xạ β− liên tiếp