Tính toán các hệ số trong lò phản ứng hạt nhân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MƠN VẬT LÝ HẠT NHÂN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN CÁC HỆ SỐ TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN SVTH : VÕ KIÊN GIANG CBHD : Th.S NGUYỄN ĐÌNH GẪM CBPB : Th.S HUỲNH TRÚC PHƢƠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2007 LỜI MỞ ĐẦU Ngày ứng dụng ngành lƣợng hạt nhân ngun tử đƣợc áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhƣ đời sống xã hội Các thành tựu khoa học kỹ thuật mà Vật Lý Hạt Nhân đạt đƣợc gần góp phần to lớn việc khám phá tự nhiên vũ trụ Bên cạnh đó, nghiên cứu Vật Lý Hạt Nhân ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi đời sống nhƣ: Cơng Nghiệp, Nơng Nghiệp, Sinh Học, Y Học, Mơi Trƣờng… Đề tài nói đến ứng dụng vật lý hạt nhân Lò Phản Ứng Hạt Nhân Đề tài nhằm giới thiệu cho bạn sinh viên kiến thức tổng qt hệ số lò phản ứng hạt nhân Nó giúp cho tính tốn cơng suất thơng số lò phản ứng hạt nhân Đề tài gồm chƣơng: Chƣơng 1: Chu trình sống neutron Chƣơng 2: Tiết diện neuron Chƣơng 3: Các thơng số quan trọng lò phản ứng hạt nhân Chƣơng 4: Tính tốn thơng số lò phản ứng hạt nhân Em xin chân thành cảm ơn q thầy mơn Vật Lý Hạt Nhân tận tình dạy dỗ, đặc biệt thầy Nguyễn Đình Gẫm ln tận tình hƣớng dẫn, bảo suốt q trình em thực đề tài Trong q trình thực biên soạn lần đầu khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận đƣợc đóng góp bạn q thầy MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC LỤC 2 CHƢƠNG CHU TRÌNH SỐNG CỦA NEUTRON 1.1 Sự phát neutron 1.2 Các loại tƣơng tác neutron với vật chất 1.2.1 Tán xạ đàn hồi 1.2.2 Tán xạ khơng đàn hồi 1.2.3 Phản ứng bắt xạ hạt mang điện (n,), (n,p), (n,) 1.2.4 Sự phân hạch 1.2.4.1 Sự phân hạch tức thời 1.2.4.2 Sự phân hạch xúc tác 1.2.5 Sản xuất đồng vị khả phân 1.3 Chu trình sống neutron 10 1.4 Chu trình neutron lò phản ứng nhiệt 14 CHƢƠNG TIẾT DIỆN CỦA NEUTRON 2.1 Tiết diện hiệu dụng 17 2.2 Tiết diện neutron nhiệt 19 2.3 Thơng lƣợng neutron 26 2.3.1 Định nghĩa thơng lƣợng 26 2.3.2 Đơn vị thơng lƣợng 27 CHƢƠNG CÁC THƠNG SỐ QUAN TRỌNG TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 3.1 Hệ số phân hạch nhanh 28 3.2 Xác suất cộng hƣởng 29 3.3 Hệ số sử dụng nhiệt 31 3.4 Hệ số tái tạo 33 3.5 Xác suất khơng rò nhanh 35 3.6 Xác suất khơng rò nhiệt 36 3.7 Hệ số nhân hiệu dụng 37 3.8 Cơng thức sáu thừa số 38 CHƢƠNG TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1 Mối quan hệ hệ số nhân vơ hạn hệ số nhân hiệu dụng 39 4.2 Tính hệ số tái tạo 40 4.3 Tính hệ số phân hạch nhanh 41 4.4 Tính hệ số sử dụng nhiệt 42 4.5 Tính cơng thức bốn thừa số 43 4.6 Kết luận 50 PHỤ LỤC 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 CHƢƠNG CHU TRÌNH SỐNG CỦA NEUTRON 1.1 Sự phát neutron: Năm 1930 Bethe Becker cho chùm hạt hạt  bắn vào hạt nhân Berili Be-9 nhận đƣợc “tia lạ” có khả truyền qua chì (Pb) mạnh Be + He4 12 6C + tia lạ Lúc đầu ngƣời ta cho tia gamma, nhƣng qua thí nghiệm F.Joliot Irene vào năm 1932 chứng minh khơng phải tia gamma Cũng vào năm Chadwick làm thí nghiệm chứng tỏ “tia lạ” có khả đâm xun mạnh khơng gây ion hố trực tiếp Do điện tích hạt phải nhỏ khơng Do hạt đƣợc gọi neutron Ngƣời ta phân loại neutron làm loại: _ Neutron “nhiệt” hay gọi neutron “chậm” (có động năng 232) Sở dĩ phản ứng phân hạch tức thời xảy hạt nhân có số khối lớn hạt nhân có tỷ lệ neutron lớn nên phản ứng phân hạch dễ xảy Tuy tỷ lệ phân hạch tức thời thấp nhƣng chúng lại đóng vai trò quan trọng lò phản ứng hạt nhân Do phân hạch tức thời Uranium kèm theo phóng thích neutron Các neutron lại tác nhân để gây phản ứng phân hạch dây chuyền lò phản ứng hạt nhân 1.2.4.1 Phân hạch xúc tác: Do phản ứng phân hạch tức thời xảy ra, nên ngƣời tìm cách gây phản ứng phân hạch nhân tạo với mục đích tìm ngun tố bảng tuần hồn, tạo đồng vị phóng xạ đƣợc ứng dụng cơng nghiệp, nơng nghiệp, y học Ngƣời ta gây phản ứng phân hạch xúc tác cách bắn hạt neutron vào hạt nhân nặng Khi neutron bị hấp thụ hạt nhân nặng tạo nhân hợp phần có trạng thái lƣợng kích thích Năng lƣợng trạng thái kích thích nhân hợp phần tổng lƣợng neutron tới lƣợng liên kết neutron hạt nhân trƣớc hấp thụ neutron tới Do đó, để phản ứng phân hạch xúc tác xảy động neutron tới phải lớn Tuy nhiên, thực nghiệm xử dụng neutron có lƣợng từ 10 MeV neutron nhiệt Nếu lƣợng trạng thái kích thích nhân hợp phần lớn ngƣỡng giá trị lƣợng tới hạn phản ứng phân hạch xúc tác xảy 0n + 92U 235 92U 236 140 55Cs + 93 37Rb + 30n1 Có thể tạo phân hạch cho đồng vị U233, U235, Pu239 với neutron lƣợng thấp hay cao, xác suất phân hạch đặc biệt cao neutron nhiệt Trong U238 phân hạch với neutron có lƣợng MeV Điều dẫn đến phát xạ nhiều neutron nhanh sau làm chậm dùng để trì phản ứng phân hạch dây chuyền Trong phản ứng phân hạch, ngồi hạt nhân đƣợc sinh kèm theo neutron tƣơng ứng có xuất hạt nhân khác trạng thái kích thích Để trở trạng thái cân hạt nhân tiếp tục phân hạch phát tia gamma kèm theo hạt neutron Khi phản ứng phân hạch xảy ra, hầu hết neutron đƣợc sinh tức sau phản ứng (khoảng 1017 s) chúng đƣợc gọi neutron tức thời Còn tia gamma phát kèm theo gọi tia gamma tức thời Số lƣợng neutron đƣợc sinh phản ứng phân hạch có giá trị thay đổi, nhiên phản ứng phân hạch sinh khoảng neutron Các neutron tức thời sinh từ phản ứng phân hạch đƣợc dùng làm tác nhân để gây phản ứng phân hạch dây chuyền Động trung bình neutron tức thời khoảng MeV, nhiên phần lớn neutron tức thời có động khoảng 0,72 MeV Trong hầu hết phản ứng phân hạch, động hạt nhân sau phản ứng phân hạch thƣờng khơng đạt đến trạng thái lƣợng kích thích cần thiết để phát neutron trở trạng thái cân Tuy nhiên hạt nhân sinh neutron trở trạng thái cân bằng cách phát tia .Điển hình phát tia - Br-87 với chu kỳ bán rã 55s để tạo thành Kr87 87 35Br - n 87 36Kr  87 36Br Hình 1.1 Sơ đồ phát neutron chậm Br-87.[10] Động hạt nhân Kr-87 đƣợc tạo thành nhỏ động hạt nhân Br-87 tạo phát kèm neutron tƣơng ứng Mặc dù phân rã từ Br-87 thành Kr-87 xảy hồn tồn, nhƣng chúng xảy chậm so với phân hạch phát neutron tức thời Các neutron đƣợc sinh từ q trình phát tia - phụ thuộc chủ yếu vào chu kỳ bán rã tƣơng ứng Các hạt nhân nhƣ Br-87 đƣợc xem nhƣ tác nhân tạo thành neutron trễ Đối với phản ứng phân hạch Uranium-235, đóng góp neutron trễ chiếm khoảng 0,7% tổng số neutron sinh từ phản ứng phân hạch Còn Pu239, tỷ lệ chiếm khoảng 0,23% Mặc dù neutron trễ sinh từ phản ứng phân hạch chiếm phần nhỏ, nhƣng tồn neutron trễ nhân tố định để điều khiển cơng suất lò phản ứng 1.2.5 Sản xuất đồng vị khả phân: Q trình bắt xạ neutron đồng vị 92U ngun tố khả phân Plutonium 94Pu239 238 233 92U , 232 90Th dẫn đến lần lƣợt theo phản ứng sau: [1] a) U238 : 92U 238 + n1 239 92U 23,5 93Np 239 2,3 day 92U 239 93Np 239 -1e + -1e 233 + -1e 233 + -1e 94Pu 239 + b) Th232 : 90Th 232 90Th 233 91Pa + n1 90Th 23,3 91Pa 27,4 day 92U 233 233 Những phản ứng có liên quan đến lò phản ứng biến đổi hay tái sinh tạo chất khả phân hữu ích khơng tìm thấy nhiều tự nhiên 1.3 Chu trình sống neutron: Từ neutron đƣợc sinh từ phản ứng phân hạch chúng bị hấp thụ để tiếp tục gây phản ứng phản ứng dây chuyền tạo neutron chu trình đầy phức tạp Chu trình phức tạp gọi chu trình sống neutron Trong chu trình sống mình, neutron trải qua nhiều q trình phức tạp làm cho số lƣợng neutron chu trình thay đổi khơng ngừng Các q trình đƣợc trình bày rõ ràng dƣới Đầu tiên nói hệ số nhân hiệu dụng keff phản ứng: keff  Số neutron tạo từ phản ứng Số neutron trước phản ứng (1.1) Sau tìm hiểu hệ số tác động tới giá trị hệ số keff cho lò phản ứng hạt nhân Các hệ số cho biết hệ số keff thay đổi Đầu tiên, nhiên liệu bị đốt cháy bắt đầu chu trình sống neutron lò phản ứng Trong phản ứng hạt nhân, neutron thƣờng xun thay đổi số lƣợng giữ vai trò quan trọng việc trì phản ứng phân hạch dây chuyền Neutron nhanh sinh từ phản ứng phân hạch Va chạm với mơi trƣờng hay chất làm chậm Neutron nhiệt bị U-235 hấp thụ lại sinh phản ứng phân hạch Hình 1.2 Chu Trình Sống Đơn Giản Của Neutron [3] Trung bình có khoảng 2,43 neutron nhanh đƣợc sinh từ phản ứng phân hạch Theo thực nghiệm, có neutron số neutron sinh từ phản ứng phân hạch kết hợp với U-235 để tiếp tục phản ứng dây chuyền Còn neutron khác nhiều ngun nhân khác * Tại neutron lại bị đi? * Và chúng bị nhƣ nào? Để hiểu đƣợc điều quan trọng Có nhiều tác nhân gây hao hụt,mất neutron ví dụ: chất làm chậm, nhiệt độ lò, hấp thụ neutron vật liệu xây dựng cấu trúc lò, chất độc Dựa vào hiểu biết lựa chọn vật liệu phù hợp để xây dựng lò phản ứng hạt nhân có cấu trúc hợp lý nhằm làm giảm hao hụt neutron Và từ điều chỉnh đƣợc cơng suất lò phản ứng sinh Để hiểu rõ điều ta dựa vào hình 1.3 Đơn giản đặt giả thiết có nhiên liệu chứa ngun tố khả phân U-235 đƣợc đặt lõi Từ hình 1.2, giả sử có 1000 neutron nhanh đƣợc tạo từ phản ứng nhiệt hạch Và tiếp xuống bên dƣới đồ thị biến đổi số lƣợng 36 Tính hệ số tái tạo  : 4.4 Hầu hết neutron đƣợc hấp thụ nhiên liệu gây phản ứng phân hạch Tuy nhiên có số lại khơng hấp thụ nhiên liệu Từ cơng thức (3.7) ta có mối quan hệ hệ số tái tạo   là:  = số neutron nhanh tạo phản ứng phân hạch tổng số neutron nhiệt bò hấp thụ nhiên liệu số neutron bò hấp thụ gây phản ứng phân hạch tổng số neutron bò hấp thụ   =  f a  =  Với f tiết diện phân hạch vĩ mơ nuclide có khả phân hạch a tiết diện hấp thụ vĩ mơ Đối với số đơn chất phân hạch, ta thay f/ a f/ a Tỷ lệ f/ a số neutron bị hấp thụ gây phản ứng phân hạch Ví dụ: Trong Uranium-235 có khoảng 85% neutron nhiệt bị hấp thụ gây phân hạch, Plutonium-239 tỷ lê 73%  =  f a Đặt  tỷ số tiết diện bắt neutron tiết diện hấp thụ ta có:  = c a (4.5) c f = = a f + c 1+ Vậy:  =  1+ Vậy số neutron đạt đƣợc sau q trình tái tạo npf (4.6) 37 4.5 Tính cơng thức bốn thừa số: Trong lò phản ứng nhiệt,dựa vào biểu thức hệ số nhân vơ hạn ban đầu: k = số neutron bò hấp thụ chu trình số neutron bò hấp thụ chu trình trước Ngồi k biểu diễn cách khác: số neutron nhiệt bò hấp thụ lõi nhiên liệu chu trình số neutron bò hấp thụ lõi nhiên liệu chu trình trước n pf = n =  pf k = k k Trong lò phản ứng nhiệt, hấp thụ neutron có lƣợng cao lõi nhiên liệu xảy Tuy nhiên, vùng cộng hƣởng lƣợng thấp khoảng từ 1 1000 eV thơng lƣợng neutron lại lớn Hơn vùng cộng hƣởng tiết diện hấp thụ lớn Hầu hết bắt neutron xảy neutron dần lƣợng vùng cộng hƣởng Trong lò phản ứng nhiệt, thơng thƣờng lõi nhiên liệu chứa khoảng 97% Uranium-238 Các neutron bị hấp thụ gây phản ứng bắt xạ phát tia : n + A A+1 ZX ZX * A+1 ZX +  Nhƣ chiếm phát xạ q trình làm cho neutron nnhiệt + 5B10 3Li + 2He4 + 2,78 MeV nnhiệt + 3Li7 1H + 2He4 + 4,78 MeV Xác suất cộng hƣởng ký hiệu p đƣợc định nghĩa biểu thức (3.2): p = số neutron đạt mức lượng nhiệt tổng số neutron lại sau rò nhanh + Đối với lò phản ứng đồng sử dụng Uranium tự nhiên trộn lẫn với than chì Nếu làm giảm tỷ lệ chất làm chậm nhiên liệu hệ số sử dụng nhiệt f chu trình tăng lên đồng thời xác suất cộng hƣởng p giảm xuống Giá trị lớn tích số pf đạt đƣợc là: (pf)max = 0,630 38 Đối với Uranium tự nhiên, theo thực nghiệm giá trị đo đƣợc hệ số  = 1,34 xác suất phân hạch nhanh đạt giá trị khơng q  = 1,02 Do giá trị hệ số nhân vơ hạn k : k = pf = (0,630)(1,34)(1,02) = 0,861 Vậy lò phản ứng đồng sử dụng Uranium làm nhiên liệu than chì làm chất làm chậm hệ thống khơng đạt đƣợc giá trị tới hạn (do k [...]... TỐN CÁC HỆ SỐ TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Để đạt đƣợc các u cầu nêu ra trong chƣơng 3, chúng ta cần thực hiện một số tính tốn sau đây 4.1 Mối quan hệ giữa hệ số nhân vơ hạn và hệ số nhân hiệu dụng : Hệ số nhân vơ hạn chỉ có thể đƣợc diễn tả một cách đầy đủ cho một lò phản ứng rộng vơ hạn, bởi vì nó đƣợc xây dựng dựa trên giả thiết rằng khơng có bất cứ neutron nào thốt ra khỏi phản ứng Còn đối với hệ số. .. mức cơng suất của lò phản ứng Vì vậy chúng ta cần tìm hiểu ảnh hƣởng của hệ số nhân dựa trên các thành phần bên trong và cấu trúc của lò phản ứng là rất cần thiết Khi có sự cân bằng giữa số neutron đƣợc tạo ra với số neutron hấp thụ bởi trung tâm lò phản ứng hạt nhân và số neutron rò rỉ ra ngồi giúp ta xác định hệ số nhân hiệu dụng Nếu số neutron bị rò rỉ khơng đáng kể thì khi đó hệ số nhân hiệu dụng... hạt nhân Tỷ lệ để các neutron đặc biệt có mức năng lƣợng thích hợp gây phản ứng dựa trên số lƣợng neutron vận tốc của chúng, số khối và độ làm giàu của mỗi chất Tiết diện của một hạt nhân bia cho mỗi phản ứng đƣợc tính bởi xác suất của các hạt neutron đặc biệt gây phản ứng, đặc tính của chúng và năng lƣợng của các hạt gây phản ứng Xác suất tƣơng tác giữa neutron và hạt nhân khơng chỉ dựa vào loại hạt. .. là: 0 = n0vtb CHƢƠNG 3 24 CÁC THƠNG SỐ QUAN TRỌNG TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Cơng suất của lò phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc và các thơng số trong lò phản ứng nhƣ: hệ số phân hạch nhanh , hệ số tái tạo , hệ số sử dụng nhiệt f, xác suất thốt cộng hƣởng p, xác suất khơng rò nhanh Lf , xác xuất khơng rò nhiệt Lt … 3.1 Hệ số phân hạch nhanh  : Các neutron mới đƣợc sinh ra từ một chu trình tham gia vào... thanh nhiên liệu với số neutron nhiệt bị hấp thụ bởi các nhiên liệu khác Hệ số này đƣợc thể hiện: f = neutron nhiệt bò hấp thụ bởi thanh nhiên liệu tổng số neutron nhiệt bò hấp thụ trong lò phản ứng (3.3) Hệ số sử dụng nhiệt ln ln nhỏ hơn 1 bởi vì một số neutron nhiệt sử dụng trong phản ứng sẽ bị hấp thụ bởi các chất khác trong lò phản ứng Ngồi ra, hệ số sử dụng nhiệt còn đƣợc thể hiện bởi biểu thức sau:... : Trong thực tế, đối với một lò phản ứng có kích thƣớc hữu hạn một số neutron nhanh sẽ thốt ra khỏi bề mặt vùng hoạt động của lò phản ứng trƣớc khi chúng mất dần động năng để trở thành neutron nhiệt Xác suất khơng rò nhanh đƣợc định nghĩa bằng tỷ số giữa số neutron nhanh khơng thốt khỏi lò phản ứng với số neutron nhanh đƣợc sinh ra bởi các phản ứng phân hạch số neutron nhanh không thoát khỏi lò phản. .. nhanh không thoát khỏi lò phản ứng số neutron nhanh được sinh ra bởi các phản ứng phân hạch Lf = (3.12) 3.6 Hệ số khơng rò nhiệt Lt: Một số neutron nhiệt cũng có thể bị rò rỉ thốt ra khỏi lò phản ứng Xác suất khơng thốt neutron nhiệt đƣợc định nghĩa bằng tỷ số giữa số neutron nhiệt khơng thốt khỏi phản ứng với số neutron nhiệt Lt = số neutron nhiệt không thoát khỏi phản ứng số neutron nhiệt (3.13) Xác... là khi nhiệt độ lò phản ứng tăng thêm sẽ làm cho xác suất khơng rò nhanh Lf và xác suất khơng rò nhiệt Lt sẽ giảm 3.7 Hệ số nhân hiệu dụng: Hệ số nhân vơ hạn chỉ có thể đƣợc diễn tả một cách đầy đủ cho một lò phản ứng có kích thƣớc vơ hạn, bởi vì nó đƣợc xây dựng dựa trên giả thiết rằng khơng có bất cứ neutron nào thốt ra khỏi bề mặt vùng hoạt của lò phản ứng Hệ số nhân k nếu sử dụng trong mơi trƣờng... trí trong lò phản ứng hạt nhân gồm có vật liệu thuần nhất tiết diện vĩ mơ , trong đó lại có n neutron trong mỗi cm3, vận tốc là v Tốc độ phản ứng trong trƣờng hợp này là giống nhƣ trong trƣờng hợp một chùm neutron R = nv Vậy thơng lƣợng trong mơi trƣờng là: R tốc độ phản ứng trong mỗi cm3  = nv = =  tiết diện vó mô (2.6) Thí dụ: Tìm thơng lƣợng neutron nhiệt trung bình trong một tâm lò phản ứng. .. cân bằng giữa số neutron hấp thụ và số neutron đƣợc tạo ra và khi đó hệ số nhân hiệu dụng sẽ trở thành hệ số nhân vơ hạn (k) Hệ số nhân hiệu dụng keff cho cho lò phản ứng có giới hạn có thể đƣợc thể hiện thơng qua hệ số nhân vơ hạn k với hai thơng số Lf Lt: keff = k Lf Lt (3.16) Với Lf , Lt lần lƣợt là xác suất khơng rò nhanh và nhiệt 3.8 Cơng thức sáu thừa số: Nếu bao gồm cả hai thừa số xác suất ... tới giá trị hệ số keff cho lò phản ứng hạt nhân Các hệ số cho biết hệ số keff thay đổi Đầu tiên, nhiên liệu bị đốt cháy bắt đầu chu trình sống neutron lò phản ứng Trong phản ứng hạt nhân, neutron... neutron 33 CHƢƠNG TÍNH TỐN CÁC HỆ SỐ TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Để đạt đƣợc u cầu nêu chƣơng 3, cần thực số tính tốn sau 4.1 Mối quan hệ hệ số nhân vơ hạn hệ số nhân hiệu dụng : Hệ số nhân vơ hạn đƣợc... CHƢƠNG 24 CÁC THƠNG SỐ QUAN TRỌNG TRONG LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Cơng suất lò phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc thơng số lò phản ứng nhƣ: hệ số phân hạch nhanh , hệ số tái tạo , hệ số sử dụng nhiệt