Phản ứng hạt nhân và ứng dụng (kl07509)

Sự kiện khám phá ra hiện tượng phân hạch hạt nhân năm 1939 của hai nhà Vật lý Hahn và Strassman và hiện tượng phóng xạ năm 1986 của nhà Vật lý người Pháp Bequerel đã mở ra một bước ngoặt

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lí đại cương

Người hướng dẫn khoa học: ThS HOÀNG VĂN QUYẾT

HÀ NỘI, 2015

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc cùng với sự giúp đỡ của các thầy

cô giáo và các bạn sinh viên trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà

Nội 2, đến nay khóa luận tốt nghiệp của tôi với đề tài “ Phản ứng hạt nhân

và ứng dụng” đã được hoàn thành Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo –ThS Hoàng Văn Quyết, người đã trực

tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận này

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, là một sinh viên mới bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cùng với điều kiện thời gian và tầm hiểu biết còn hạn hẹp nên khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót

và chưa thể mở rộng hết được đề tài Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, tháng 05 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Thúy Hà

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung tôi đã trình bày trong khóa luận này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của các thầy cô giáo

trong khoa Vật lý, đặc biệt là thầy giáo - ThS Hoàng Văn Quyết Nội dung

của khóa luận này không trùng lặp với kết quả nghiên cứu của các tác giả khác

Hà Nội, tháng 05 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Thúy Hà

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 4

Chương 1: Cơ sở lí thuyết 4

1.1 Đại cương về phản ứng hạt nhân 4

1.2 Phản ứng phân hạch 8

1.3 Phản ứng nhiệt hạch 10

1.4 Hiện tượng phóng xạ 11

1.5 Tương tác của neutron với hạt nhân 14

1.6 Tương tác của các hạt và bức xạ với vật chất 15

Chương 2: Ứng dụng của phản ứng hạt nhân 23

2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực Năng lượng 23

2.2 Ứng dụng trong Quân sự 30

2.3 Ứng dụng trong Công nghiệp 32

2.4 Ứng dụng trong Nông nghiệp 42

2.5 Ứng dụng trong Y học 51

2.6 Ứng dụng trong các lĩnh vực khác 63

2.7 Ứng dụng trong các ngành khoa học khác 68

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Cuối thế kỉ XIX , một nền đại công nghiệp đã được hình thành dựa trên

cơ sở sự phát triển của Vật lý học với các lĩnh vực: Cơ học, Nhiệt học, Điện học, Quang học

Đầu thế kỉ XX, khi đi sâu vào khám phá thế giới tự nhiên ở ngoài tầm quan sát trực tiếp đó là nguyên tử (thế giới vi mô) và vũ trụ (thế giới đại vĩ mô) con người đã thu được một lượng thông tin khổng lồ về thế giới tự nhiên

- bắt đầu một lĩnh vực Vật lý mới: Vật lý Hiện đại

Biết được nguyên tử gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân

và hạt nhân gồm các hạt proton và neutron là một thành tựu Vật lý kiệt xuất của thế kỉ XX Và chuyên ngành Vật lý nghiên cứu cấu trúc, tính chất và các quá trình biến đổi của hạt nhân nguyên tử được gọi là Vật lý Hạt nhân Trong suốt thế kỉ XX phát triển, chuyên ngành vật lý hạt nhân đã đạt được nhiều thành tựu rực rỡ trong nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tiễn

Sự kiện khám phá ra hiện tượng phân hạch hạt nhân năm 1939 của hai nhà Vật lý Hahn và Strassman và hiện tượng phóng xạ năm 1986 của nhà Vật

lý người Pháp Bequerel đã mở ra một bước ngoặt mới trong nghiên cứu các hiện tượng hạt nhân cũng như ứng dụng của phản ứng hạt nhân nói riêng và chuyên ngành Vật lý Hạt nhân nói chung trong thực tiễn cuộc sống

Năng lượng của phản ứng hạt nhân là nền tảng cho năng lượng phục vụ đời sống con người trong tương lai khi mà các tài nguyên tạo ra điện năng như than đá, dầu mỏ, nước,…đang dần cạn kiệt Ngày 20/12/1951 ở Ario, Idaho - Mỹ, lò phản ứng tái sinh thực nghiệm đầu tiên sản sinh ra điện năng

từ năng lượng hạt nhân thắp sáng 4 bóng đèn - đánh dấu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân thì đến nay trên thế giới hiện có 441 lò

phản ứng năng lượng hạt nhân đang hoạt động rải rác ở 31 quốc gia, sản xuất

ra 363 triệu kilooat điện tương đương 18 triệu thùng dầu mỗi ngày

Và sản phẩm của phản ứng hạt nhân - các đồng vị phóng xạ được ứng dụng hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống: Y học, Quân sự, Công nghiệp, Nông nghiệp,…Trong cuốn sách “Ứng dụng các chất đồng vị phóng xạ” ( NXB Khoa học và Kĩ thuật 1972) tác giả Đinh Ngọc Lân đã nhận định

về sự phát hiện ra hiện tượng phóng xạ như sau: Trong lịch sử phát triển của khoa học ít thấy một phát minh khoa học nào mà phạm vi ứng dụng rộng rãi đến vậy

Tìm hiểu phản ứng hạt nhân và các ứng dụng của nó cho ta thấy được vai trò vô cùng to lớn của chuyên ngành Vật lý Hạt nhân nói riêng và ngành Vật lý Hiện đại nói chung đối với đời sống con người ở hiện tại và tương lai

Đó là lí do tôi chọn đề tài “ Phản ứng hạt nhân và ứng dụng” làm Khóa

luận Tốt nghiệp Đại học của mình

2 Mục đích nghiên cứu

 Tìm hiểu về phản ứng hạt nhân; phản ứng phân hạch; phản ứng nhiệt hạch; hiện tượng phóng xạ; tương tác của neutron với hạt nhân; tương tác của các hạt và bức xạ với vật chất

 Tìm hiểu ứng dụng của năng lượng và sản phẩm của phản ứng hạt nhân trong thực tiễn

3 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Lý thuyết và ứng dụng của phản ứng hạt nhân

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu lí thuyết về cơ chế, các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân; phản ứng phân hạch; phản ứng nhiệt hạch; tương tác của neutron với hạt nhân; tương tác của các hạt, bức xạ với vật chất

 Nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của năng lượng phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân; ứng dụng của các chất đồng vị phóng xạ trong khoa học và đời sống

5 Phương pháp nghiên cứu

Đọc và nghiên cứu tài liệu liên quan

Đọc và tra cứu thông tin trên Internet

6 Cấu trúc khóa luận

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Ứng dụng của phản ứng hạt nhân

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Đại cương về phản ứng hạt nhân

m)

1.1.1.2 Phương trình phản ứng hạt nhân

Phương trình phản ứng hạt nhân tổng quát: a + A B + b,

hoặc viết dưới dạng rút gọn A(a,b)B, trong đó a là hạt đạn, A là hạt nhân bia

và B, b là các sản phẩm sau phản ứng Ví dụ, phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên do Rutherford thực hiện năm 1919: + + và được viết gọn: (

Các thí nghiệm về phản ứng hạt nhân thường được phân tích trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ hạt tương tác gọi là hệ quy chiếu khối tâm

Hệ này chuyển động với vận tốc không đổi so với hệ quy chiếu gắn với phòng thí nghiệm sao cho các hạt trước tương tác và các hạt sau tương tác có động lượng tổng cộng bằng không

1.1.1.3 Các kênh của phản ứng

Khi hạt đạn a bay tới tương tác với hạt nhân bia phản ứng có thể xảy

ra theo nhiều cách khác nhau được biểu diễn theo sơ đồ:

A*: hạt nhân A ở trạng thái kích thích

1.1.1.4 Phân loại phản ứng hạt nhân

Có nhiều cách khác nhau để phân loại phản ứng hạt nhân, ví dụ:

- Dựa vào năng lương hạt đạn thì phản ứng hạt nhân gồm:

 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng thấp: năng lượng hạt đạn cỡ vài keV

 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng trung bình: năng lượng hạt đạn

cỡ vài MeV

 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng cao: năng lượng cỡ hàng nghìn MeV

- Dựa vào bản chất hạt đạn thì phản ứng hạt nhân gồm:

 Phản ứng xảy ra dưới tác dụng của neutron

 Phản ứng xảy ra dưới tác dụng của proton

 Phản ứng xảy ra dưới tác dụng của các hạt mang điện khác như

- Dựa vào năng lượng của phản ứng thì phản ứng hạt nhân gồm:

1.1.2 Tiết diện của phản ứng hạt nhân

Tiết diện của phản ứng là đại lượng đặc trưng cho xác suất xảy ra một

phản ứng hạt nhân nào đó

Mỗi hạt nhân bia được gắn với một tiết diện gọi là tiết diện hiệu dụng

theo hướng vuông góc với phương tới của các hạt đạn, là xác suất xảy ra

phản ứng trong một giây khi bắn vào hạt nhân một dòng hạt có mật độ 1

hạt/1cm2

Bia được xem là đủ mỏng sao cho không có một hạt nhân nào bị

che lấp đối với các hạt đạn tới bởi bất kì một hạt nhân nào khác

Xác suất để xảy ra phản ứng hạt nhân là: P = , (1.1)

trong đó : là số hạt đạn đi qua tiết diện hiệu dụng, n là số hạt đạn tới đập

vào bia

Mặt khác: P =

trong đó: NdA là tiết diện hiệu dụng toàn phần đối với tất cả các hạt nhân

bia, N là số hạt nhân bia trong một đơn vị thể tích bia, d là bề dày của bia còn

A là tiết diện của bia Đơn vị của tiết diện hiệu dụng là Barn: 1Barn = 10-24

cm2

Tiết diện hiệu dụng phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân bia, bản chất

hạt đạn và năng lượng của hạt đạn

1.1.3 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng hạt nhân: a + A B + b,

trong đó hạt nhân A đứng yên

1.1.3.1 Định luật bảo toàn điện tích

Nội dung của định luật: Tổng điện tích của các hạt ở kênh vào bằng tổng

điện tích của các hạt ở kênh ra

Biểu thức của định luật: Za + ZA = ZB + Zb , (1.3)

trong đó Za, ZA, ZB, Zb lần lượt là nguyên tử số của hạt nhân a, A, B, b

1.1.3.2 Định luật bảo toàn số khối

Nội dung của định luật: Tổng số khối của các hạt ở kênh vào bằng tổng

số khối của các hạt ở kênh ra

Biểu thức của định luật: Aa + AA = AB + Ab (1.4)

Định luật này chỉ đúng trong các phản ứng không tạo ra phản hạt vì nếu

tạo ra phản hạt thì sẽ xuất hiện hiện tượng hủy cặp hạt – phản hạt để tạo thành

hai photon, lúc này số khối không được bảo toàn Ví dụ, không thể xảy ra

phản ứng + 2 do 1 + 0 0 Điều này cũng đúng trong tự nhiên vì

nếu proton tự hủy với electron thì nguyên tử hiđro không thể tồn tại

1.1.3.3 Định luật bảo toàn động lượng

Nội dung của định luật: Động lượng của hệ các hạt tương tác trong phản

ứng hạt nhân được bảo toàn

Biểu thức của định luật: a = ⃗ b+ ⃗ B (1.5)

1.1.3.4 Định luật bảo toàn năng lượng

Nội dung của định luật: Năng lượng của hệ các hạt tương tác trong phản

ứng hạt nhân được bảo toàn

Năng lượng của mỗi hạt nhân gồm năng lượng nghỉ Eo và động năng K

Biểu thức của định luật: EA + Ea + Ka = EB + KB + Eb + Kb

Từ (1.7) thấy năng lượng của phản ứng hạt nhân tồn tại dưới dạng động năng

của các hạt nhân tham gia phản ứng

𝛽 𝛽𝛽

- Nếu Q > 0: phản ứng tỏa năng lượng, phản ứng này xảy ra với động

năng bất kỳ của hạt đạn a

- Nếu Q < 0: phản ứng thu năng lượng, phản ứng này chỉ xảy ra khi

động năng của hạt đạn a đạt tới một giá trị ngưỡng nào đó

- Nếu Q = 0: tán xạ đàn hồi

Ngoài ra trong phản ứng hạt nhân còn tuân theo định luật bảo toàn

momen động lượng toàn phần, bảo toàn spin đồng vị, bảo toàn tính chẵn lẻ

1.2 Phản ứng phân hạch

1.2.1 Phản ứng phân hạch

Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một

neutron rồi vỡ ra hai hạt nhân trung bình kèm theo một vài neutron được gọi

là phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch điển hình là sự phân hạch của U235

+ + + 3Các hạt nhân phân hạch được sử dụng nhiều trong thực tế là , ,

Đặc điểm của phản ứng phân hạch

- Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch phụ thuộc vào năng lượng của neutron dùng làm hạt đạn

- Các sản phẩm phân hạch thu được từ sự phân hạch hạt nhân nào

đó không phải là duy nhất

- Các sản phẩm phân hạch thường không bền

- Xét phản ứng phân hạch tổng quát:

1 + 2 + k thì năng lượng Q của phản ứng phân hạch:

Q = [mX – – – (k – 1)mn]c2 (1.8) Mỗi phản ứng phân hạch U235 thường tỏa ra năng lượng 200MeV

- Mỗi phản ứng phân hạch có từ 2-3 neutron phát ra, các neutron này được gọi là các neutron thứ cấp

1.2.2 Phản ứng dây chuyền

Các neutron sinh ra trong phản ứng phân hạch lại có thể gây ra các phản ứng phân hạch khác và cứ thế tiếp tục số neutron được giải phóng và năng lượng tỏa ra tăng rất nhanh Một quá trình như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền

Hình 1.1 : Sơ đồ phản ứng dây chuyền

Thực tế để thực hiện phản ứng dây chuyền là không dễ dàng do không phải mọi neutron sinh ra đều gây ra phản ứng phân hạch Vì vậy muốn có phản ứng dây chuyền ta xét đến đại lượng f được gọi là hệ số nhân neutron

- Nếu f < 1: Phản ứng dây chuyền không xảy ra

- Nếu f = 1: Phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi

và được gọi là phản ứng dây chuyền có điều khiển Loại phản ứng này được thực hiện trong trong các lò phản ứng hạt nhân và sử dụng vào việc sản xuất điện năng

- Nếu f >1: Số neutron tăng lên theo cấp số nhân và phản ứng dây chuyền không điều khiển Loại phản ứng này được ứng dụng trong chế tạo bom nguyên tử

1.3 Phản ứng nhiệt hạch

1.3.1 Phản ứng nhiệt hạch

Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo

ra một hạt nhân nặng hơn và thường kèm theo một số hạt được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch

Một số phản ứng nhiệt hạch điển hình:

tỏa năng lương Q = 19,2MeV

tỏa năng lượng Q = 4,03MeV

Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng nhiệt hạch là nhỏ so với năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng phân hạch nhưng năng lượng tỏa ra trên một đơn vị khối lượng thì lớn hơn rất nhiều Người ta tính toán được rằng để tổng hợp 1kg thành thì tỏa năng lượng 160.000kWh lớn hơn rất nhiều so với năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1kg U235

là 23.000kWh

Nguồn năng lượng của Mặt trời là một dãy các phản ứng tổng hợp hạt nhân được gọi là chu trình proton-proton Có thể viết gọn như sau:

6 2 + 2 + + 2 +2 + 25,7MeV Nguồn năng lượng của các ngôi sao nóng hơn Mặt trời là một dãy các phản ứng tổng hợp hạt nhân được gọi là chu trình cacbon-nito Có thể viết gọn như sau:

4 + 2 +

+ 2ν + 25,7MeV

1.3.2 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch

Các hạt nhân nhẹ trong phản ứng nhiệt hạch là các hạt tích điện dương nên muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch thì phải cung cấp cho hạt nhân một

động năng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng Coulomb tiến lại gần nhau tới khoảng cách xuất hiện lực hạt nhân Động năng này khoảng 0,1 1MeV tương đương với nhiệt độ 1010

K

Muốn cho phản ứng nhiệt hạch có thể tự duy trì thì năng lượng phải được giải phóng ở lân cận các hạt nhân khác, cung cấp động năng cho chúng

để chúng có thể tương tác với nhau sau đó

Một trong các cách thích hợp để thực hiện phản ứng nhiệt hạch tự duy trì trên mặt đất là nén chất plasma nhiệt độ cao Hiện nay có hai phương pháp đang được nghiên cứu phổ biến là dùng từ trường (Tokamak và Gương từ) và Laser

Vậy chúng ta thấy rằng năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch là rất lớn Chúng ta có thể sử dụng năng lượng này thay thế cho nguồn năng lượng từ than đá, dầu mỏ…Và thực tế năng lượng của phản ứng phân hạch đã được sử dụng rộng rãi còn năng lượng của phản ứng nhiệt hạch thì vẫn đang trong quá trình nghiên cứu do để thực hiện được phản ứng nhiệt hạch có điều khiển là không dễ dàng Và đây được coi là mục tiêu hàng đầu của các nhà nghiên cứu năng lượng hạt nhân nói riêng và vật lý năng lượng cao nói chung

1.4 Hiện tƣợng phóng xạ

1.4.1 Hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ (hay phân rã phóng xạ) là trường hợp riêng của phản ứng hạt nhân, trong đó hạt nhân bia tự biến đổi mà không cần đến sự tác động của hạt đạn

Phóng xạ là một hiện tượng biến đổi hạt nhân ở đó hạt nhân nguyên tử của nguyên tố này tự động biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác kèm theo sự phát ra các tia +

, , ,…các tia này được gọi là tia phóng xạ

- Tia là dòng các hạt , mang điện tích dương +2e

- Tia là dòng các electron, mang điện tích âm –e

- Tia là dòng các positron, mang điện tích dương +e

- Tia là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (khoảng dưới 0,01nm) hay chính là photon năng lượng cao

Có hai loại phóng xạ

- Phóng xạ tự nhiên: Có 3 họ phóng xạ tự nhiên là Actini,Urani,Thori

- Phóng xạ nhân tạo: Có 1 họ phóng xạ nhân tạo là Neptuni

Ngày nay con người đã tạo ra được rất nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo Chúng có chu kì bán rã khác nhau trong một dải rất rộng Bức xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ có bản chất và năng lượng khác nhau Chính vì vậy con người có thể lựa chọn những đồng vị phóng xạ nhân tạo thích hợp với những ứng dụng rất đa dạng trong thực tế

Các phương pháp chế tạo đồng vị phóng xạ nhân tạo chủ yếu là:

- Dùng máy gia tốc hạt nguyên tử: Những máy gia tốc này tạo ra dòng hạt tích điện , p, … đóng vai trò là các hạt đạn và gây ra các phản ứng hạt nhân, tạo ra các đồng vị phóng xạ

- Chiếu xạ bởi các neutron trong lò phản ứng: Các đồng vị phóng xạ nhân tạo được sản xuất với một lượng lớn bằng cách chiếu neutron trong lò phản ứng vào các đồng vị bền Ví dụ: (n, ) ; (n, ) ; (n,p)C14; S32(n,p)P32; Na23(n, )Na24

; Li6(n, )H3

- Từ các sản phẩm phân hạch: Rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp yêu cầu phải có nguồn phóng xạ có hoạt độ phóng xạ đủ lớn Khi đó người ta dùng phương pháp hóa học để tách các đồng vi phóng xạ từ các sản phẩm phân hạch trong nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng Hai đồng vị có nhiều ứng dụng trong thực tiễn đã được tạo ra bằng phương pháp này là Sr90

và Cs137 Những đồng vị phóng xạ nhân tạo chủ yếu phóng xạ tia và tia , rất ít khi

phóng xạ Ngoài ra trong các hạt nhân đồng vị phóng xạ nhân tạo chúng ta

còn gặp loại phóng xạ ít thấy trong phóng xạ tự nhiên đó là tia +

Phương trình tổng quát của hiện tượng phóng xạ: A B + C,

trong đó A là hạt nhân mẹ, B là hạt nhân con, C là tia phóng xạ

1.4.2 Định luật phóng xạ

Trong hiện tượng phóng xạ số hạt nhân (hay khối lượng) còn lại của mẫu

phóng xạ sẽ giảm dần theo định luật hàm số mũ

Biểu thức của định luật phóng xạ:

trong đó: N, N o lần lượt là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t = 0 và tại thời

điểm t; m, m o lần lượt là khối lượng của chất phóng xạ ở thời điểm t = 0 và tại

thời điểm t; H, Ho lần lượt là độ phóng xạ của mẫu phóng xạ tại thời điểm t =

0 và tại thời điểm t

λ là hằng số phóng xạ, đây là xác suất phân rã của hạt nhân trong một

đơn vị thời gian

T là chu kì bán rã, đặc trưng cho mỗi chất phóng xạ Cứ sau khoảng thời

gian bằng chu kì bán rã thì số hạt nhân (hoặc khối lượng) của mẫu phóng xạ

lại giảm đi một nửa Giữa T và λ có mối liên hệ λ =

Độ phóng xạ H của mẫu phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho khả năng

phóng xạ mạnh hay yếu của mẫu đó và được đo bằng số hạt nhân bị phân rã

trong một đơn vị thời gian Đơn vị đo độ phóng xạ H là Becquerel (Bq) với

1Bq = 1 phân rã/giây Ngoài ra còn có đơn vị Curie (Ci), 1Ci = 3,7.1010

Bq

1.5 Tương tác của neutron với hạt nhân

Neutron không mang điện nên không bị trường Coulomb của các hạt nhân ngăn cản do đó có khả năng xuyên sâu vào bên trong hạt nhân Vì vậy

mà neutron được dùng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và thực hiện phản ứng phân hạch

1.5.1 Phân loại neutron

Trong kĩ thuật năng lượng hạt nhân người ta quan tâm tới các neutron có năng lượng nằm trong vùng 0,025eV 1MeV

Việc phân loại neutron chỉ mang tính chất tương đối Neutron gồm hai loại chính:

- Neutron chậm gồm:

 Neutron lạnh: Có năng lượng dưới 0,025eV, tiết diện chiếm của hạt nhân với loại neutron này có giá trị cực lớn nên được dùng để nghiên cứu cấu trúc vật rắn

 Neutron nhiệt : Có năng lượng 0,025 0,5eV, các neutron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trường

 Neutron cộng hưởng: Có năng lượng trong khoảng 0,5eV 1keV, neutron này tương tác với hạt nhân trung bình và hạt nhân nặng với tiết diện tương đối lớn

 Neutron trung gian: có năng lượng từ 0,1 100keV

- Neutron nhanh: có năng lượng trong vùng 100keV 14MeV, tương tác của neutron này với hạt nhân có tiết diện nhỏ hơn nhiều so với neutron chậm

1.5.2 Làm chậm và khuếch tán neutron

Để thực hiện phản ứng phân hạch ta phải có neutron chậm hay neutron nhiệt nhưng các neutron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân là các neutron nhanh nên để duy trì lò phản ứng ta phải làm chậm neutron

Nguyên tắc chung của việc làm chậm neutron là cho neutron tán xạ đàn hồi lên hạt nhân chất làm chậm Sau mỗi lần tán xạ, neutron mất đi một phần năng lượng Khi số lần tán xạ đủ lớn neutron nhanh sẽ trở thành neutron nhiệt

và ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường Chất làm chậm tốt nhất là D2O (nước nặng) được sử dụng trong các lò phản ứng

Khi neutron đã được làm chậm tới neutron nhiệt thì nó bắt đầu khuếch tán theo tất cả mọi phương từ nguồn cho tới khi hấp thụ

1.6 Tương tác của các hạt và bức xạ với vật chất

Tương tác của các hạt, bức xạ với vật chất mang tính chất tác động qua lại:

 Vật chất làm suy giảm cường độ và năng lượng của bức xạ

 Bức xạ làm thay đổi cấu trúc vật chất, gây ra các biến đổi vật lý, hóa học, sinh học…và các biến đổi này phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng

và dạng bức xạ

1.6.1 Tương tác của các hạt nặng mang điện với vật chất

Quá trình tương tác chính của các hạt nặng mang điện với vật chất là tán

xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi Kết quả các quá trình này như sau:

- Kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi là nguyên tử của vật chất bị kích thích (chuyển lên mức năng lượng cao hơn) hoặc bị ion hóa

- Kết quả của quá trình tán xạ đàn hồi là hạt thay đổi hướng chuyển động nhưng không thay đổi năng lượng

Quãng đường từ khi hạt bay vào vật chất tới khi nó bị hấp thụ phụ thuộc vào điện tích, năng lượng và mật độ electron của vật chất

1.6.2 Tương tác của hạt với vật chất

Khi tương tác với vật chất hạt tham gia các quá trình:

+ Tán xạ không đàn hồi

+ Hủy cặp đối với +

+ Chuyển động chậm dần trong trường hạt nhân, dẫn tới quá trình phát bức xạ hãm

Năng lượng của hạt bị mất tỉ lệ nghịch với khối lượng của hạt

1.6.3 Tương tác của neutron với vật chất

Neutron tương tác với electron của vật chất bằng tương tác điện từ, chủ yếu là sự tương tác giữa momen từ của neutron và moment từ của electron Sự mất mát năng lượng của quá trình này không đáng kể do momen từ của neutron rất nhỏ Do đó sự mất mát năng lượng của neutron chủ yếu là quá trình neutron tương tác với hạt nhân của vật chất, gồm các quá trình:

- Tán xạ đàn hồi

- Tán xạ không đàn hồi

- Quá trình bắt neutron

1.6.4 Tương tác của bức xạ với vật chất

Ngoài phản ứng hạt nhân do bức xạ gây ra thì khi tương tác với vật chất sẽ xảy ra các quá trình sau:

1.6.4.1 Hiệu ứng quang điện

Là quá trình tương tác của bức xạ với electron liên kết của nguyên tử

Toàn bộ năng lượng h của bức xạ truyền cho electron trong đó có một phần tiêu tốn cho việc electron bứt ra khỏi quỹ đạo Eo, một phần trở thành

động năng cho electron Ke:

h = Eo + Ke, (1.12) hiệu ứng chỉ xảy ra khi h >Eo và không xảy ra với electron tự do, xảy ra càng mạnh khi electron liên kết càng bền vững

1.6.4.2 Hiệu ứng Compton

Là hiện tượng tương tác của bức xạ với electron liên kết yếu trong nguyên tử mà kết quả là bức xạ truyền bớt năng lượng cho electron và bay

lệch hướng cũ còn electron nhận được động năng mới Hiện tượng này còn

gọi là hiện tượng tán xạ Compton

Hiện tượng này phụ thuộc vào mật độ electron trong nguyên tử, mật độ

trong đó h là năng lượng ban đầu của bức xạ ; h là năng lượng tán xạ của

bức xạ ; mo c 2 là năng lượng nghỉ của electron còn là góc tán xạ

Tiết diện tán xạ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ

1.6.4.3 Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi năng lượng bức xạ E >Eo ,với Eo = 2m e c 2

= 1,02MeV là năng lượng nghỉ của e+

và e- thì có hiện tượng tạo cặp hạt e+, etrong trường Coulomb của hạt nhân

-Hiệu ứng tạo cặp còn xuất hiện trong trường Coulomb của các điện tử

khi E <Eo ,với Eo = 4m e c 2 = 2,04MeV

Tiết diện tạo cặp phụ thuộc vào nguyên tử số Z và năng lượng bức xạ

1.6.4.4 Sự suy giảm cường độ bức xạ khi đi qua vật chất

* Sự suy giảm cường độ bức xạ của chùm bức xạ hẹp

Khi chùm bức xạ hẹp truyền vuông góc với vật chất có bề dày x, sự

suy giảm cường độ bức xạ tuân theo biểu thức:

I(x) = Io.exp(- ), (1.14)

trong đó I(x), Io lần lượt là cường độ bức xạ trước và sau khi qua lớp vật

chất, hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào bản chất lớp vật chất

* Sự suy giảm cường độ bức xạ của chùm bức xạ rộng

Sự suy giảm cường độ bức xạ của chùm bức xạ rộng tuân theo biểu

thức:

I(x) = Io.exp(- )BE

, (1.15) trong đó BE là hệ số tích lũy năng lượng có tính tới đóng góp của bức xạ năng lượng chùm , BE

= BE(h , Z, ) phụ thuộc vào năng lượng chùm , nguyên

tử số Z và bề dày vật liệu x

1.6.5 Các đơn vị cơ bản đo liều lượng bức xạ

Tất cả các bức xạ đều gây ra những thay đổi trong cơ thể sống Chúng có thể hủy diệt tế bào và gây ra những đột biến trong các tổ chức sống tức là làm biến đổi di truyền

Để đo tác động của các bức xạ đối với môi trường vật chất người ta sử

dụng nhiều đơn vị khác nhau

- Liều hấp thụ trung bình DT trong môi trường vật chất T được xác định bằng năng lượng bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất mà

nó đi qua Đơn vị này được sử dụng phổ biến trong việc đo tác động của bức

xạ lên cơ thể người Đơn vị trong hệ SI là Gray (Gy): 1Gy = 1J/kg

- Rad là lượng bức xạ cung cấp 10-5J năng lượng đối với một đơn vị khối lượng vật chất, có giá trị 1rad = 100erg/g ,(1J = 107

erg )và 1Gy = 100rad

- Ronghen là liều lượng bức xạ có thể làm ion hóa môi trường và tạo

ra một đơn vị điện tích trong không khí ở điều kiện tiêu chuẩn:

1R = 2,58.10-4C/kg

1.6.6 Các dụng cụ ghi đo bức xạ

Cơ sở của việc ghi, đo bức xạ hạt nhân là dựa trên các hiệu ứng xảy ra khi có sự tương tác của bức xạ với môi trường vật chất Dụng cụ để ghi đo bức xạ hạt nhân được gọi chung là ống đếm

Sau đây ta tìm hiểu một số loại ống đếm đã và đang được sử dụng phổ biến hiện nay

*Buồng ion hóa

Trong bình chứa không khí khô ở áp suất thường Buồng ion hóa được

dùng để đo liều lượng bằng tĩnh điện kế có bảng thể hiện kết quả là R/h hoặc mR/s Điện thế được cung cấp bằng pin hoặc acquy Mỗi loại buồng ion hóa

có thể đo được một phạm vi liều lượng khác nhau và được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau

Hình 1.2 : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động buồng ion hóa

* Ống đếm tỷ lệ

Một vỏ bằng thuỷ tinh, ở giữa có một dây Vonfram làm cực dương một lớp kim loại bọc trong ống làm cực âm Ống được rút chân không sau đó nạp khí metan CH4, áp suất 10mmHg thường để đo bức xạ

Nếu nạp khí BF3, neutron gây ra phản ứng: n + B10 Li7 + và dùng để

đo neutron chậm

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo ống đếm tỉ lệ

- Ống đếm khí halogen: Thay chất hữu cơ bằng khí halogen Cực âm là một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kĩ thuật phun muối SnCl vào mặt trong ống

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo ống đếm G.M

Hiệu suất của ống đếm G.M là 100% đối với tia và 1% đối với tia Nhược điểm của ống đếm khí là hiệu suất ghi nhận bức xạ rất thấp và không ghi nhận được các nguồn phóng xạ có cường độ lớn

*Ống đếm nhấp nháy

Ống đếm nhấp nháy khắc phục được hai nhược điểm của ống đếm khí Đối với hạt mang điện, hiệu suất của ống đếm nhấp nháy xấp xỉ 100%, đối với bức xạ hiệu suất khoảng 20 30% Ống đếm nhấp nháy được sử dụng rộng rãi và trở thành dụng cụ đo đạc và ghi nhận bức xạ quan trọng và phổ biến nhất hiện nay

Thiết bị ghi, đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy gồm chất nhấp nháy, ống nhân quang, bộ tiền khuếch đại, máy phân tích biên độ một đường, máy đếm

Hình 1.5: Sơ đồ khối mô tả một thiết bị ghi đo bức xạ sử dụng chất nhấp nháy

Mỗi chất nhấp nháy khác nhau có tác dụng đo các loại bức xạ khác nhau

Ví dụ:

 Tinh thể NaI trộn một lượng nhỏ Tl (hoặc KI, CsI) để đo bức xạ

 Tinh thể ZnS trộn một lượng Ag để đo bức xạ

 Chất hữu cơ để đo bức xạ

Nguyên tắc hoạt động: Khi ánh sáng chiếu vào các chất nhấp nháy thì làm cho chất này phát xạ ánh sáng Ống nhân quang gồm quang catot K trong suốt đặt phía trước và ở phía sau là một dãy các tấm nhạy sáng gọi là điot D1,

giữa từng cặp điot được duy trì hiệu điện thế cỡ 100V Khi ánh sáng đập vào

K, một electron bị bứt ra do hiện tượng quang điện, electron này đập vào điot

D1 va chạm và làm bật ra một số electron mới Những electron này tới điot D2

và giải phóng thêm nhiều electron mới Quá trình này tiếp tục tới điot cuối cùng, lúc đó ở lối ra của ống nhân quang có dòng xung điện rất mạnh Tỉ lệ số electron cuối cùng thu được trên cực dương và số electron ban đầu tới điot D1gọi là hệ số khuếch đại của ống nhân quang

Tín hiệu từ ống nhân quang đi ra tương đối nhỏ do đó cần phải được đưa tới bộ tiền khuếch đại mới có thể làm cho máy đếm và máy phân tích biên độ làm việc được

Vào đầu những năm 60 của thế kỉ XX khi chất bán dẫn được phổ biến thì người ta đã chế tạo ra loại ống đếm nhấp nháy mà cực âm làm bằng các chất bán dẫn Nguyên lý hoạt động của ống đếm nhấp nháy này dựa trên hiệu ứng xảy ra ở lớp tiếp xúc p-n của chất bán dẫn có tạp chất

Ống đếm nhấp nháy không những cho phép đo cường độ phóng xạ mà còn dùng để đo phổ năng lượng của chất phóng xạ bằng cách cho tín hiệu sau khi khuếch đại qua máy phân tích biên độ

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng

2.1.1 Lò phản ứng năng lượng hạt nhân

2.1.1.1 Cấu trúc chung của một lò phản ứng năng lượng hạt nhân

Cấu trúc chung của một lò phản ứng năng lượng hạt nhân gồm:

- Vùng hoạt động: Gồm thanh nhiên liệu, chất làm chậm, thanh điều khiển

- Hệ thống tải nhiệt: Dùng để đảm bảo nhiệt độ trong lò không quá cao Chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò

- Vành phản xạ: Làm bằng Graphite

- Đường ống làm thí nghiệm: đưa neutron ra ngoài

- Thành bảo vệ phóng xạ: Có tác dụng cản trở các tia bức xạ từ lò phản ứng ra ngoài

Hình 2.1: Sơ đồ chung cầu tạo lò phản ứng năng lượng hạt nhân

2.1.1.2 Nguyên tắc cơ bản của lò phản ứng năng lượng hạt nhân

Xét nguyên tắc cơ bản của lò phản ứng năng lượng hạt nhân dùng Uranium thiên nhiên làm nhiên liệu

- Tiết diện phản ứng phân hạch đối với neutron nhiệt lớn hơn rất nhiều so với neutron nhanh Mà các neutron thứ cấp sinh ra trong phản ứng phân hạch đều là các neutron nhanh, vì vậy trong lò phản ứng cần có các chất làm chậm neutron như nước thường (nước nhẹ), nước nặng (D2O), Graphite, Berili, một

số chất hữu cơ Người ta xếp xen kẽ các thanh nhiên liệu Uranium giữa các chất làm chậm

- Để giảm bớt tỉ lệ neutron bị tạp chất hấp thụ người ta phải tinh chế nguyên liệu để làm giảm tạp chất đến mức tối thiểu

- Để chống sự thất thoát của neutron ra khỏi lò người ta bố trí một lớp phản xạ neutron bao quanh vùng hoạt động của lò

- Để lò phản ứng hoạt động bình thường, người ta sử dụng các thanh điều khiển Cadimi (Cd) đặt xen kẽ giữa các thanh nhiên liệu Uranium Thanh Cadimi có khả năng bắt neutron rất cao, do đó tùy theo vị trí của thanh này đưa lên cao hay cắm xuống sâu mà có thể tăng hoặc giảm tốc độ phản ứng dây chuyền dẫn đến thay đổi công suất lò

Uranium được sử dụng trong các lò phản ứng đều là uranium đã được làm giàu từ 3 5% U235 Qua quá trình làm giàu ta còn lại uranium nghèo ở dạng U3O8 (chất rắn màu hơi đen) Uranium nghèo này nếu không bị phá vỡ hay bốc cháy sẽ được sử dụng an toàn làm phương tiện bảo vệ phóng xạ trong công nghiệp hạt nhân, bình chứa nguồn phóng xạ trong bệnh viện, làm đối trọng các bánh lái dẫn hướng và bánh lái đi ngang trên máy bay trong ngành hàng không

Việc tái sản xuất nhiên liệu phân hạch là một ưu việt hiểm có của lò phản ứng năng lượng hạt nhân Có thể nhờ một phản ứng hạt nhân để biến những hạt nhân không bị phân hạch bởi neutron chậm thành nhiên liệu phân hạch bởi neutron chậm Ví dụ sản xuấtPu239 từ U238 và sản xuất U233 từ Th232qua các phản ứng sau:

+ *→ → + *→ → Những lò phản ứng có khả năng tái sản xuất nhiên liệu được gọi lò phản ứng tái sinh

Người ta tính toán được rằng quá trình phân hạch của 1 g U235

trong một ngày có thể tỏa năng lượng với công suất 1MW tương đương với 2,6 triệu tấn than đá

2.1.1.3 Nhà máy điện hạt nhân và hiện trạng điện hạt nhân trên thế giới

* Nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân phát điện theo kiểu giống như các nhà máy điện hơi nước khác, nước được đun nóng và hơi nước bốc lên từ nước sôi làm quay turbine và phát điện Sự khác biệt chủ yếu so với các loại nhà máy điện hơi nước là nguồn sinh nhiệt Trong nhà máy điện hạt nhân, nhiệt phát ra từ phản ứng dây chuyền tự duy trì làm nước sôi Trong các nhà máy khác người ta đốt than đá, dầu lửa hoặc khí thiên nhiên để đun sôi nước

Trong nhà máy điện hạt nhân thì dòng nước thường sẽ nhận nhiệt trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi nước Hơi nước sẽ được dẫn đi làm chạy các turbine của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi rồi lại được đưa vào buồng trao đổi nhiệt Như vậy chất tải nhiệt được đi theo chu trình: lò phản ứng – buồng trao đổi nhiệt – turbine – lò phản ứng nhờ hệ thống bơm đặc biệt

* Hiện trạng điện hạt nhân trên thế giới

Hiện nay trên thế giới có trên 430 lò phản ứng năng lượng hạt nhân thương mại với công suất trên 370.000MWe trong đó có 70 lò phản ứng đang được xây dựng Các nhà máy điện hạt nhân cung cấp 14% sản lượng điện năng trên thế giới (năm 2007) một cách liên tục, nguồn phụ tải đáng tin cậy và

không gây phát thải khí CO2, gấp hơn 3 lần tổng sản lượng điện năng của Pháp và Đức từ tất cả các nguồn năng lượng khác cộng lại

Pháp được coi là cường quốc về điện hạt nhân, sản xuất 3/4 điện năng quốc gia từ năng lượng hạt nhân Hoa kỳ chiếm 1/3 sản lượng điện hạt nhân trên thế giới

Điện hạt nhân cung cấp điện năng với giá thành thấp hơn 50 80% so với giá điện năng từ các nguồn năng lượng truyền thống khác

Hình 2.2: Đồ thị biểu thị sự phát triển của điện hạt nhân trên thế giới

giai đoạn 1971 – 2012

Hình 2.3: Biểu đồ biểu thị tỉ trọng sản lượng điện từ các nguồn năng lượng

trên thế giới năm 2008

2.1.2 Cung cấp nhiệt cho nhu cầu công nghiệp và đời sống

Nhiệt năng đáp ứng nhu cầu cho công nghiệp và đời sống được cung cấp bởi các cơ sở sản xuất kinh doanh nhiệt năng Cơ sở này biến mọi vật liệu có thể đốt được thành nhiệt năng Nhiệt năng đó có thể ở dạng nước nóng ở áp suất cao để vẫn còn ở dạng nước quá nhiệt ( hơi nước quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của hơi bão hòa) Nước quá nhiệt được bơm vào một ống nước tới nơi tiêu thụ Ở nơi tiêu thụ nhiệt năng được chuyển sang những thiết

bị chạy bằng nhiệt năng qua những bộ chuyển nhiệt Sau đó nước đã được làm nguội có áp suất đã được giảm quay trở về cơ sở sản xuất để được đun nóng và tăng áp suất trước khi đi một vòng nữa Một mạng ống nước nóng như vậy được gọi là mạng nhiệt năng

Hiện nay nguồn năng lượng của những mạng nhiệt năng chủ yếu là cặn của những thùng dầu, gỗ vụn, bã mía, rác thải đô thị, những chất thải khác có

dự trữ năng lượng cao Một mạng nhiệt năng dùng những vật liệu đó thường nhằm mục đích chính là giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do phế liệu gây ra

Trong một lò phản ứng hạt nhân, nước có hai công dụng là:

- Làm giảm tốc độ neutron để chúng phá vỡ hạt nhân U235 tức là đóng vai trò là chất làm chậm và sinh ra năng lượng

- Chuyển năng lượng từ lò phản ứng ra ngoài

Những lò phản ứng thông dụng là những kiểu lò chạy bằng nước nhẹ được gọi là lò phản ứng nước nhẹ LWR Những lò đó sinh ra hơi nước trực tiếp ngay trong lò phản ứng (lò phản ứng nước sôi BWR) hoặc ở ngoài lò qua một bộ chuyển nhiệt (lò phản ứng áp suất cao PWR) Vì vậy một lò phản ứng hạt nhân thường được gọi là lò hơi hạt nhân

Hơi nước sinh ra có hai công dụng là làm quay turbine sản xuất điện năng hoặc cung cấp nhiệt năng dùng trong sinh hoạt và công nghiệp

Để sản xuất điện trong một lò hơi hạt nhân thì hơi phải ở nhiệt độ trên

300oC và áp suất trên 90MPa Sau khi đi qua turbine thì nhiệt độ và áp suất của hơi nước phải giảm Nếu giảm chưa đủ thì có bộ ngưng làm giảm thêm Làm như vậy đã tổn hao 1/2 2/3 năng lượng mà chúng ta có thể dùng để cung cấp năng lượng cho mạng nhiệt năng

Nhiệt năng để đáp ứng nhu cầu gia dụng hay công nghiệp thường có nhiệt độ 100 250oC và áp suất chỉ cần để giữ cho nước ở trạng thái quá nhiệt

là được Vì vậy mạng nhiệt năng có thể dùng làm nguồn nước lạnh cho bộ ngưng của nhà máy điện hay nói cách khác nhiệt năng tồn tại trong mạch của turbine có thể dùng trong mạng nhiệt năng

Mỗi năm trên thế giới sản xuất 16.742 tỉ Wh điện năng (năng lượng hạt nhân chiếm 2.635 tỉ Wh tương đương 15,7%) và 3.345TWh nhiệt năng (năng lượng hạt nhân chiếm 6TWh tương đương 0,2%) Phần năng lượng hạt nhân

dùng để sản xuất nhiệt năng là không đáng kể nhưng điều này cho thấy triển vọng phát triển của những lò hơi hạt nhân dùng để cung cấp nhiệt năng

2.1.3 Chế tạo pin hạt nhân

Một khả năng rất đáng quan tâm của các đồng vị phóng xạ có chu kì bán

rã lớn là có thể chế tạo ra một nguồn năng lượng có thể duy trì trong khoảng thời gian dài khi các đồng vị phóng xạ đó hoàn toàn bị cô lập

Nguyên tắc của phương pháp này là biến đổi năng lượng hạt nhân giải phóng trong các quá trình phân rã phóng xạ thành điện năng Những nguồn năng lượng này được gọi là pin hạt nhân hay pin đồng vị phóng xạ

Pin hạt nhân được sử dụng thích hợp ở những nơi xa xôi cần năng lượng như đồng hồ hàng hải, ngọn hải đăng, đèn báo hiệu sân bay, trạm khí tượng

vệ tinh nhân tạo,…

Có nhiều phương pháp khác nhau để biến đổi năng lượng hạt nhân thành điện năng Một trong các phương pháp đó là phương pháp nhiệt điện Phương pháp này dựa trên nguyên tắc đã được sử dụng trong việc chế tạo pin nhiệt điện

Pin hạt nhân phải có cấu tạo sao cho tạo ra được sự hấp thụ bức xạ trong nguồn để làm nó nóng lên, nhiệt độ sẽ được sử dụng để giữ một mối nối của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ cao, mối nối còn lại được đặt cách li với nguồn để giữ nó ở nhiệt độ thấp hơn nhiều

Việc nghiên cứu sử dụng các pin hạt nhân trong ngành chinh phục vũ trụ của Mỹ thuộc chương trình SNAP (Sytem for Nuclear Auxiliary Power) Pin hạt nhân đầu tiên được sử dụng trên vệ tinh nhân tạo có tên là SNAP-1A Công suất thiết kế của pin SNAP-1A là 125W, hoạt động trong một năm Nguồn nhiệt là 80.000Ci của đồng vị Ce144 Đồng vị Ce144

thu được từ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng, có chu kì bán rã 285 ngày Ce144 phát ra hầu hết năng lượng dưới dạng bức xạ tia Các tia này dễ dàng bị hấp thụ trong

nguồn và gây ra quá trình nung nóng mong muốn Mối nối nóng của cặp nhiệt điện được giữ ở 1050oF, mối nối lạnh được giữ ở 355oF bằng cách cho bức xạ vào không gian vũ trụ Pin hạt nhân này gồm 277 cặp nhiệt điện, cho hiệu điện thế 28V và dòng điện một chiều 4,46A, hiệu suất biến đổi nhiệt điện là 6,75% Trọng lượng khi bay của pin là 90kg Khi ở mặt đất pin được đặt trong một cái hố chứa gần hai tấn thủy ngân để che chắn, đảm bảo an toàn phóng

xạ Hệ che chắn này được tháo ra đúng lúc tên lửa được phóng đi

2.2 Ứng dụng trong Quân sự

Ngày 01/08/1946 Chương trình hành động năng lượng nguyên tử của Mĩ lập ra Ủy ban Năng lượng Nguyên tử AEC để điều khiển sự phát triển năng lượng hạt nhân và khảo sát ứng dụng hòa bình của năng lượng hạt nhân Và tháng 06/1954 Liên xô (cũ) xây dựng thành công nhà máy điện nguyên tử đầu tiên trên thế giới, công suất 5.000kW mở đầu cho kỉ nguyên sử dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hòa bình

Trước thời điểm này, vào thế chiến thứ hai năng lượng hạt nhân được sử dụng vào mục đích phi hòa bình mà cụ thể là chế tạo bom nguyên tử và bom khinh khí

2.2.1 Bom nguyên tử (A)

Phản ứng dây chuyền không điều khiển được ứng dụng trong bom nguyên tử Nguyên liệu chủ yếu chế tạo bom nguyên tử là U235

(Uranium thiên thiên phải được làm giàu để làm tăng lượng U235

)

Khối lượng nhiên liệu phải đủ lớn thì mới gây ra phản ứng dây chuyền không điều khiển hay vụ nổ nguyên tử Khối lượng nhiên liệu tối thiểu để gây

ra vụ nổ hạt nhân được gọi là khối lượng tới hạn Với U235

khối lượng tới hạn là1kg, với Pu239

khối lượng tới hạn là 1,235kg

Năng lượng tỏa ra từ khối lượng tới hạn này khi phân hạch hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng tỏa ra khi đốt 2.000 tấn xăng hay tương đương năng lượng khi làm nổ 25.000 tấn thuốc nổ T.N.T

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động bom nguyên tử

Nhiên liệu U235

được bố trí thành hai mảnh có khối lượng nhỏ hơn khối lượng tới hạn được đặt cách xa nhau Khi bom nguyên tử nổ thì thuốc nổ thường nổ, ép chặt hai mảnh U235

lại để đạt khối lượng tới hạn lúc ấy chất nổ hạt nhân nổ và gây ra vụ nổ nguyên tử Thời gian diễn ra vụ nổ là một phần triệu giây làm nhiệt độ tăng lên đến hàng chục triệu độ, áp suất tăng lên đến hàng trăm asmotphe

Bức xạ trong vụ nổ nguyên tử gồm sản phẩm phân hạch và các chất phóng xạ do neutron gây ra khi va chạm với vật chất môi trường xung quanh Ngày 16/07/1945 Mỹ thử quả bom nguyên tử đầu tiên ở sa mạc Alamogordo, New Mexico Ngày 06/08 và 09/08/1945 Mỹ thả hai qua bom nguyên tử có tên lần lượt “Thằng gầy” và “Gã béo” xuống Hiroshima và Nagasaki, Nhật bản Hai quả bom nguyên tử này khiến 14.000 người dân Hiroshima và 7.400 người dân Nagasaki thiệt mạng

2.2.2 Bom khinh khí (H)

Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra cần có nhiệt độ hàng chục triệu độ (ở nhiệt độ này vật chất ở trạng thái Plasma) Có thể dùng bom nguyên tử để tạo ra nhiệt độ này nhưng phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra trong thời gian rất

ngắn (cỡ 10-6s) rồi tắt hẳn Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong điều kiện trên là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

Phản ứng nhiệt hạch được ứng dụng trong bom khinh khí Nhiên liệu nhiệt hạch là LiH hoặc LiD (Li có rất nhiều trong tự nhiên còn D lấy từ nước biển bằng phương pháp điện phân) Một quả bom khinh khí có sức công phá tương đương với 10 20 triệu tấn thuốc nổ T.N.T

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo bom khinh khí (H)

Ngoài ra các lò phản ứng năng lượng hạt nhân còn cung cấp năng lượng cho các tàu ngầm, tàu phá băng

2.3 Ứng dụng trong công nghiệp

2.3.1 Kiểm tra khuyết tật bằng bức xạ

Để kiểm tra khuyết tật trong vật liệu người ta dùng phương pháp chụp ảnh

Nguyên tắc của phương pháp này như sau: Chiếu một chùm vào vật liệu cần kiểm tra, tùy theo vị trí, tính chất, hình dạng của khuyết tật mà cường

độ chùm bức xạ thứ cấp thay đổi Bức xạ thứ cấp được ghi bằng phim giống như phim dùng trong kĩ thuật chụp ảnh thông thường Cụ thể như sau: Cường

độ bức xạ đi xuyên qua vật liệu cần kiểm tra phụ thuộc vào bề dày, nếu có một khuyết tật thì ở chỗ ấy bề dày giảm đi, cường độ bức xạ tăng lên và làm cảm quang phim ảnh nhiều hơn để lại một vết đen trên phim ảnh Sau khi rửa phim, căn cứ vào vị trí vết đen, độ đen có thể xác định được vị trí và kích thước của khuyết tật

Bảng 2.1: Các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong công nghiệp

Đồng vị

phóng xạ

Phản ứng tạo thành

Tiết diện phản ứng