SKKN phản ứng phân hạch lý thuyết và ứng dụng

Tôi có tổng hợp một số bài tập có liên quan đến việc sản xuất điện năng, làm chậm nơtron, vai trò của hệ số nhân nơtron trong phản ứng phân hạch, năng lượng toả ra từ một quả bom nguyên

Mục tiêu chọn đề tài

Dạy học vật lý – một môn khoa học thực nghiệm- luôn luôn đòi hỏi người giáo viên phải nắm chắc các kỹ năng thực hành thí nghiệm hoặc cách bố trí thí nghiệm dùng phương pháp mô phỏng Nhưng với chương IX – Vật lý 12, chương trình cần truyền tải

đến cho học sinh lại là thuộc vào lĩnh vực vật lý hiện đại – Vật lý hạt nhân, thì việc thực

hiện thí nghiệm hoặc các mô hình mô phỏng không thể thực hiện được Người giáo viên chỉ còn một cách, đó là nắm thật chắc kiến thức lý thuyết và tham khảo thêm trong các tài liệu lý thuyết khác Trong đó phải kể đến rất nhiều những kiến thức tham khảo chỉ được đưa ra như là những giả thuyết, những mô hình nhằm giải thích một số tính chất của hạt nhân Ví dụ như: Hiện nay vẫn chưa có một lý thuyết hạt nhân toàn diện nên người ta đành phải xây dựng các mẫu hạt nhân Mẫu hạt nhân đơn giản là một cách xem xét hạt nhân, giải thích tính chất của nó trong một phạm vi rộng lớn nhất có thể Tính ích lợi của nó được trắc nghiệm bởi khả năng đưa ra nhũng tiên đoán của nó mà thực nghiệm

có thể kiểm chứng được Hiện nay có hai mẫu hạt nhân tỏ ra hữu ích nhất đó là mẫu giọt

và mẫu hạt độc lập Vì vậy, kiến thức về vật lý hạt nhân rất rộng và còn chứa nhiều bí ẩn

đối với con người Khi dạy học phần này, các thày cô giáo thường yêu cầu học sinh công nhận một số kiến thức ( có một số kiến thức học sinh dễ dàng chấp nhận và hiểu được dựa vào các kiến thức về hoá học đã biết) Với các học sinh khá và giỏi, ngoài việc chấp nhận những kiến thức các thày cô đưa ra, các em còn muốn tìm hiểu sâu hơn nữa Ví dụ như đã có những phản biện từ phía học sinh khi tôi giảng cho các em về cách dùng tỉ lệ

(số hạt nhân Pb206/ số hạt nhân U238) tìm được trong tự nhiên ngày nay để xác định

tuổi của Trái đất, hoặc dùng tỉ lệ (số hạt nhân Ar40/ số hạt nhân K40) để xác định tuổi

của một mẫu đá lấy từ Mặt trăng để xác định tuổi của Mặt trăng Các em đưa ra câu hỏi

rằng: Nếu cho rằng ban đầu không tồn tại bất kỳ một hạt nhân Pb206 nào ( hoặc Ar40

nào) thì tuổi của Trái đất (hoặc Mặt Trăng) được xác định như vậy, nhưng ai dám chắc rằng ban đầu trên bề Mặt Trái đất không có chì bền?

Vì vậy, muốn dạy tốt phần này, tôi đã phải đọc rất nhiều tài liệu, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau để có thể phục vụ tốt cho bài giảng Học sinh rất thích nghe và tìm hiểu xem tại sao, bằng cách nào có thể chế tạo được một quả bom nguyên tử? Hay làm cách nào để có thể sản xuất điện bằng nhà máy điện nguyên tử? Tại sao cho đến nay, Việt Nam vẫn chưa xây dựng nhà máy điện nguyên tử - mặc dù ích lợi từ nguồn năng lượng hạt nhân mang lại không thể phủ nhận được?

Trong đề tài này, tôi chỉ tổng hợp một số kiến thức liên quan đến việc sử dụng năng lượng hạt nhân trên lý thuyết và trong thực tế, kèm theo với một số khó khăn mà chúng

ta phải đối mặt khi sử dụng chúng Tôi có tổng hợp một số bài tập có liên quan đến việc sản xuất điện năng, làm chậm nơtron, vai trò của hệ số nhân nơtron trong phản ứng phân hạch, năng lượng toả ra từ một quả bom nguyên tử và bom nhiệt hạch,

Vì tuổi đời và tuổi nghề còn trẻ, và đứng trước một mảng kiến thức còn quá mới mẻ (đối với Việt Nam) nên trong bài viết không tránh khỏi có những khiếm khuyết Rất mong nhận được sự đón nhận và đóng góp chân tình của các thày cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bài viết được hoàn thiện hơn Tôi rất mong bài viết của tôi sẽ phần nào làm cho bài giảng của các thày cô giáo sinh động hơn

Phủ lý, tháng 4 - 2007

Người viết

Vũ thị lan hương

Vấn đề nhiên liệu được sử dụng trong sinh hoạt, phục vụ đời sống của con người hiện nay đang được đặt ra một cách cấp bách Khái niệm nhiên liệu bao gồm một nhóm các chất cháy có cơ sở là Cacbon ứng dụng của nhiên liệu là để thu nhiệt năng khi cháy Ngoài ra, tất cả các nhiên liệu, không trừ ngoại lệ nào, đều đã được dùng hoặc có thể trở thành nguyyên liệu quan trọng của công nghiệp hoá chất.Ngoài than đá và than nâu còn

có dầu mỏ, khí đốt, than bùn, đá dầu, gỗ đều thuộc vào loại nhiên liệu Nhiên liệu không có giá trị ngang nhau về năng lượng chứa trong chúng Những chất chứa năng lượng chủ yếu trong thời đại chúng ta là dầu mỏ, khí thiên nhiên và than Vào cuối những năm 1970, trên thế giới, hàng năm sản xuất ra một lượng năng lượng tương đương

9 tỷ t.n.q ( tấn nhiên liệu quy ước), trong đó 47% số năng lượng này do dầu mỏ cung cấp, 30% do than và 17% do khí, 6% tổng số năng lượng tổng cộng của tất cả các nguồn khác( gồm năng lượng thu được tại các nhà máy thuỷ điện và nhà máy điện nguyên tử, năng lượng Mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều và 1 số dạng năng lượng khác)

Dầu mỏ chiếm vị trí đặc biệt trong số các loại nhiên liệu Nguyên nhân không phải chỉ

vì dầu mỏ cho phép thu được các nhiên liệu lỏng cho ôtô, máy bay, tàu biển, xe lửa dễ hơn nhiều so với than Mà vấn đề còn là việc khai thác và sử dụng dầu mỏ rẻ hơn nhiều

so với việc sản xuất một năng lượng tương đương từ các nguồn khác Cho nên người ta

cố gắng thoả mãn nhu cầu năng lượng trước hết nhờ dầu mỏ Hàng năm, người ta phát hiện ra ngày càng nhiều mỏ mới khoan thêm nhiều giếng khoan mới Việt Nam là một trong những nước có trữ lượng dầu mỏ lớn, chỉ có điều chúng ta chưa thăm dò và khai thác được nhiều cũng như chưa sử dụng được triệt để nguồn nhiên liệu này Hiện nay chúng ta vẫn phải xuất khẩu dầu thô, sau đó nhập khẩu xăng và các chế phẩm của dầu

mỏ từ nước ngoài

Và một câu hỏi được đặt ra ngày càng cấp bách hơn và đáng lo ngại hơn: dầu mỏ còn

đủ cho con người bao nhiêu năm nữa? Cách đánh giá của các chuyên gia không thống nhất với nhau: 20, 30, 50 năm Nhưng nói chung mọi dự đoán đều nói rằng nguồn dầu

mỏ sẽ bị cạn kiệt trong khoảng vài chục năm tới Dầu mỏ ngày càng đắt Những mỏ dầu mới được phát hiện hoặc ở quá sâu, hoặc ở tại những vùng không có người ở, khó khai thác, có khi lại nằm dưới đáy biển, dưới đáy đại dương Giếng khoan càng sâu thì con đường vận chuyển càng dài (kể cả các ống dẫn) và giá thành của dầu mỏ càng cao Và khi chúng ta càng tiến gần tới giới hạn cạn kiệt của nguồn nhiên liệu khoáng rất quan trọng này bao nhiêu, thì nó càng trở nên đắt bấy nhiêu Nguồn dầu mỏ trên Trái đất – dù

là trữ lượng dự đoán địa chất hay trữ lượng được thăm dò đều thấp hơn nhiều so với trữ lượng than

Trữ lượng than, dầu mỏ, khí trên thế giới ( tỷ tấn nhiên liệu quy ước)

Trữ lượng địa chất Trữ lượng thăm dò, khai thác

Than đá 7725 493

2

Than nâu 2399 144

Dầu mỏ 380 144

Khí thiên nhiên 345 80

Như vậy trữ lượng than rất lớn, nhưng hiệu suất sử dụng nhiệt lượng trong quá trình đốt cháy than chưa cao và vấn đề khí thải làm ô nhiễm môi trường cũng đang được đặt

ra Hiện nay người ta không chỉ khai thác than mà còn nghiên cứu các phương pháp chế biến hoá học nhiên liệu một cách hợp lý Chuyển hoá than thành nhiên liệu lỏng, trong

đó có nhiên liệu động cơ là một trong những vấn đề quan trọng nhất của khoa học kỹ thuật Nhưng quá trình điều chế dầu mỏ nhân tạo từ than vẫn còn rất nhiều nhược điểm: Chi phí về năng lượng và nhiên liệu còn quá lớn; tổ hợp máy hoá lỏng than làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao Nhiên liệu lỏng từ than đắt hơn dầu mỏ nhiều Những công trình đang đi theo hướng cực kỳ quan trọng là sử dụng nhiên liệu rắn vẫn đang được nghiên cứu và đem vào áp dụng trong thực tế ( với rất nhiều thận trọng)

Trong số các ngành công nghiệp điều chế và sản xuất năng lượng bằng việc sử dụng nhiên liệu rắn, phải kể đến vai trò vô cùng to lớn của năng lượng hạt nhân Chúng ta hãy làm phép so sánh sau đây để thấy ta có thể nhận được năng lượng bao nhiêu từ 1kg vật chất bằng các tác động khác nhau (Thời gian t là thời gian dùng để thắp sáng một bóng đèn 100W)

Dạng vật chất Quá trình Thời gian t

Nước Thác nước cao 50m 5s Than Đốt cháy 8h

UO 2 được làm giàu (3%) Phân hạch trong lò phản ứng 690 năm U235 Phân hạch hoàn toàn 3.10 4 năm Khí Đơtêri nóng Tổng hợp hoàn toàn 3.10 4 năm Vật chất và phản vật chất Huỷ hoàn toàn 3.10 7 năm

Như vậy, tính cho 1kg, thì năng lượng mà ta có thể nhận được từ Uran lớn gấp hàng triệu lần từ than hoặc từ nước đổ xuống Tuy nhiên chỉ có các quá trình trong ba dòng đầu tiên của bảng trên là thực sự thực hiện được; ba dòng còn lại biểu diễn những giới hạn lý thuyết không thể thực hiện được trong thực tế ( Ví như thời gian để phân hạch hoàn toàn 1kg Urani U235 là vô cùng)

Khi một cặp vật chất và phản vật chất gặp nhau và huỷ nhau hoàn toàn ( ví dụ: electron

và pôzitôn gặp nhau sẽ huỷ nhau và tạo ra hai phôtôn gamma có năng lượng bằng năng lượng nghỉ của electron hoặc pôzitôn tức là cỡ 0,51MeV) Khi ta đã sử dụng hết khối lượng vật chất và phản vật chất có thể – nghĩa là ta chẳng còn làm gì thêm được nữa Còn sự tổng hợp nhiệt hạch hiện nay vẫn chưa thực hiện được trong điều kiện có thể kiểm soát được Bạn hãy tưởng tượng, nếu chúng ta cung cấp nhiệt độ rất cao cho một quả bom nhiệt hạch (bom H) bằng cách dùng ngòi nổ là một quả bom nguyên tử (bom A), và cho nó nổ ở điều kiện tự nhiên, với nhiên liệu là Đơtêri, có rất nhiều trong nước,

mà bề mặt Trái đất của chúng ta có những 3/4 là nước, vậy khả năng huỷ diệt của phản ứng nhiệt hạch là không thể lường hết được Vì vậy, hiện nay chỉ còn khả năng sử dụng năng lượng hạt nhân bằng các phản ứng phân hạch của Uran là khả thi nhất

II Phân hạch hạt nhân - quá trình cơ bản:

Vào những năm 1930, Enrico Fecmi và các cộng sự của ông ở Roma đã phát hiện ra rằng nếu các nguyên tố khác nhau bị bắn phá bởi một hạt đạn thì sẽ tạo được các nguyên

tố phóng xạ mới Fecmi cũng tiên đoán được rằng, nơtron do không tích điện nên có thể

là đạn hạt nhân rất tiện ích; không như prôtôn và hạt  vì nó không chịu lực đẩy Culông khi tiến tới gần bề mặt hạt nhân Các nơtron nhiệt là các nơtron ở trạng thái cân bằng với vật chất ở nhiệt độ phòng, tức là có động năng chỉ cỡ 0,04eV, nhưng là các hạt đạn đặc biệt tiện ích

Năm 1939, hai nhà hoá học người Đức là Otto Hann và Fritz Strassman tiếp tục công trình được khởi phát bởi Fecmi và các cộng sự của ông, đã bắn phá các dung dịch muối Uran bằng các nơtron nhiệt nói trên Bằng phép phân tích hoá học, họ tìm thấy rằng sau khi bắn phá, xuất hiện một số các nguyên tố phóng xạ mới trong đó có một nguyên tố hoá học giống Bari Làm thế nào nguyên tố có khối lượng trung bình này (Z = 56) lại có thể được tạo ra khi bắn phá Urani (Z =92) bằng nơtron?

Câu trả lời được giải đáp sau đó ít tuần bởi Lise Meitner và Otto Frish Họ đã chứng tỏ rằng hạt nhân Urani khi hấp thụ một nơtron nhiệt có thể tách ra thành hai phần gần bằng nhau kèm theo giải phóng năng lượng Một trong hai thành phần đó có thể là Bari Họ gọi tên quá trình này là sự phân hạch ( fission - đây là thuật ngữ vay mượn từ sinh học có nghĩa là sự phân bào) Người ta cũng chứng tỏ được rằng hai mảnh của quá trình phân hạch không có cùng khối lượng và động năng Hai mảnh có khối lượng và động năng như nhau là một sự kiện hãn hữu Các số khối có xác suất lớn nhất tìm thấy được tập trung xung quanh A95 và A 137

Một hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron rồi vỡ ra làm hai hạt nhân trung bình kèm theo một vài nơtron kèm theo toả nhiệt Loại phản ứng như trên được gọi là phản ứng phân hạch Về mặt công nghệ, có ba hạt nhân phân hạch có vai trò quan trọng, đó là 235

92U (tự nhiên, tỉ lệ U235/U238 hiện nay là 0,72%) ; 233

92U và 239

94Pu(các hạt nhân nhân tạo) Các sản phẩm phân hạch thu được từ sự phân hạch của 1 hạt nhân nào đó không phải là duy nhất Phương trình của một sự kiện phân hạch điển hình trong đó một hạt nhân 235U hấp thụ một nơtron nhiệt, tạo thành hạt nhân 236U ở trạng thái kích thích cao Và chính hạt nhân

236U* này sẽ phân hạch vỡ ra thành hai mảnh Hai mảnh này sẽ nhanh chóng phát ra hai nơtron nhanh và để lại 140Xe và 94Sr như hai mảnh phân hạch Vậy chúng ta có phương trình:

235 1 36 140 94 1

Cả hai mảnh đều rất không bền Chúng phân rã   , tạo ra các electron cho tới khi đạt đến sản phẩm bền cuối cùng

14

T s



T =64s T =13ngay T =40h

4

Và

T =75s T =19min

(

140

58Ce và 94

40Zr là các đồng vị bền) Cuối cùng ta có thể viết phương trình của sự phân hạch trên như sau:



U235 còn có một phân hạch khả dĩ khác:

Lý giải về sự không bền của các mảnh sau

khi phân hạch được giải thích như sau: Các

đồng vị nhẹ, có số prôtôn Z và số nơtron N

xấp xỉ bằng nhau là bền vững nhất Các đồng

vị có số nơtron dôi càng nhiều thì càng kém

bền vững và có tính phóng xạ (Không có các

đồng vị bền có Z > 83) Hãy xét hạt nhân 235

92U ,

số prôtôn là 92 còn số nơtron là 144, như vậy tỉ

số nơtron/prôtôn khoảng 1,6 Các mảnh ban

đầu tạo ra ngay sau phân hạch sẽ vẫn giữ nguyên

tỉ số nơtron/ prôtôn đó Tuy nhiên, các đồng vị

bền trong vùng khối lượng trung bình có tỉ số nơtron/ prôtôn cỡ từ 1,3 đến 1,4 Vì vậy các mảnh ban đầu quá giàu các nơtron và sẽ cho “văng” ra một số nhỏ các hạt này ( ví dụ

về phân hạch trên số nơtron “văng” ra là 2; thông thường số nơtron được tạo ra sau mỗi phân hạch U235 là 2 hoặc 3) Các mảnh còn lại vẫn còn quá giàu nơtron nên cũng không bền vững vì vậy chúng sẽ tự làm “mất bớt” một số nơtron bằng cách phóng xạ  

( Thực chất của quá trình phóng xạ   là sự biến đổi một nơtron thành 1 prôtôn , 1

electron và 1 nơtrinô: 1 1 0

0n 1p 1e  )

Khi dùng đường cong năng lượng liên kết, người ta thấy rằng đối với các đồng vị nặng (A240), năng lượng liên kết riêng (trung bình, tính cho 1 nuclôn) cỡ 7,6MeV Đối với các đồng vị có khối lượng trung bình (A 120) giá trị đó vào khoảng 8,5MeV Hiệu năng lượng liên kết toàn phần của một hạt nhân nặng nói trên phân hạch vỡ ra, tạo ra hai mảnh giả thiết là giống hệt nhau là:

2.(8,5 ) (7,6 ) 200

2

A

Q  MeV  MeV A MeV (xem bài tập 1 và 2)

Nếu sự kiện phân hạch này xảy ra trong một khối chất rắn, thì phần lớn năng lượng phân rã này cuối cùng sẽ làm tăng nội năng của vật, thể hiện ở sự tăng nhiệt độ của nó Khoảng 5–6% của năng lượng phân rã liên quan đến các hạt nơtrinô được phát ra trong phân rã  của các mảnh ban đầu Năng lượng này được các hạt nơtrinô mang ra khỏi hệ

và vĩnh viến bị mất

Vậy tại sao một số đồng vị nặng như 235U hoặc 239Pu lại có thể dễ dàng bị phân hạch dưới tác dụng của các nơtron nhiệt, còn các đồng vị nặng khác như 238U hoặc 243Am thì lại không thể? Điều này được giải thích rằng sự hấp thụ nơtron nhiệt đã cung cấp cho các đồng vị này một năng lượng nhất định Nếu năng lượng này đủ lớn để đồng vị này vượt qua bờ thế hoặc xuyên qua đường ngầm thì sự phân hạch sẽ xảy ra Năng lượng cực tiểu cần cung cấp cho hạt nhân để làm vỡ hạt nhân đó gọi là ngưỡng phân hạch hay năng

236

92U

141

56Ba

92

36Kr

lượng kích hoạt Đối với 238U và 243Am năng lượng mà nơtron nhiệt cung cấp không đủ lớn nên sau khi hấp thụ nơtron nhiệt, hạt nhân phức hợp này sẽ bức xạ gamma  và trở

về trạng thái ban đầu Muốn 238U hoặc 243Am phân hạch, chúng ta có thể cho chúng hấp thụ nơtron có năng lượng ít nhất phải cỡ 1,3MeV ( thay vì 0,04eV như cũ), khi đó xác suất xảy ra phân hạch nhanh đối với hai đồng vị trên mới là đáng kể

Lý thuyết chứng tỏ rằng năng lượng kích hoạt phụ thuộc vào tỉ số Z2/A theo hệ thức:

W k 0,18 3 A2 (5,2 0,117Z2)MeV

A

Trong đó Z là điện tích và A là số khối của hạt nhân bị phân hạch

Khi Z2/A khá lớn thì năng lượng kích hoạt rát nhỏ Do đó các hạt nhân nặng có thể phân hạch không những do hấp thụ nơtron mà còn có thể phân hạch tự phát

Đối với U235 thì Z2/A =35,9, năng lượng kích hoạt W k  6,6MeV , nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ nơtron nhiệt lại có giá trị: 2

(m U m n m U ).c  6,8MeV nghĩa là lớn hơn năng lượng kích hoạt Wk ( ngưỡng phân hạch) Vì vậy khi bắt nơtron nhiệt, hạt nhân

U235 đã có thể phân hạch rồi

Đối với U238 thì Z2/A =35,46, năng lượng kích hoạt W k  7MeV , nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ nơtron nhiệt lại có giá trị: 2

(m U m n m U ).c  6MeV nghĩa là nhỏ hơn năng lượng kích hoạt Wk ( ngưỡng phân hạch) Vì vậy hạt nhân U238 chỉ vỡ ra khi hấp thụ nơtron có động năng lớn hơn (7 – 6 ) MeV = 1MeV

Tuy nhiên có một điều vô cùng thú vị là trong khối Uran tự nhiên chỉ chứa khoảng 0,7% đồng vị U235, còn 99,3% chứa đồng vị U238 (coi như không sử dụng được), chúng ta lại hoàn toàn có thể tạo ra một đồng vị có khả năng phân hạch là 239

94Pu bằng cách cho một 238

92U hấp thụ một nơtron có năng lượng dưới 1MeV, sau đó vài lần phóng xạ   Đồng vị 239

94Pu cũng có khả năng hấp thụ nơtron chậm rồi phân hạch toả năng lượng Hạt nhân U235 sẽ vỡ ra khi hấp thụ cả nơtron chậm và nơtron nhanh Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm của U235 lớn hơn rất nhiều so với khi hấp thụ nơtron nhanh

III phản ứng dây chuyền

Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ, trung bình phải phát ra nhiều nơtron Những nơtron này lại có thể bắn phá các hạt nhân nặng khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây chuyền

Thực tế không phải mọi nơtron sinh ra đều gây ra phản ứng vỡ hạt nhân, trái lại, có rất nhiều nơtron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau như: các nơtron có thể bị các tạp chất trong nguyên liệu hấp thụ, hoặc bị các hạt nhân U238 hấp thụ mà không xảy

ra phản ứng phân hạch, hoặc bay ra ngoài thể tích khối Uran Vì vậy, ta không quan tâm nhiều đến số nơtron được sinh ra sau mỗi phân hạch mà ta chỉ cần quan tâm đến số

nơtron (trung bình) tiếp tục tham gia phản ứng phân hạch , số nơtron đó gọi là hệ số nhân nơtron k Hệ số này phụ thuộc tỉ số giữa số nơtron sinh ra và số nơtron mất mát đi

do các nguyên nhân khác nhau Muốn có phản ứng dây chuyền, hệ số nhân nơtron phải

có giá trị: k 1 (xem

bài tập 4)

 Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền không thể xảy ra (hệ thống dưới hạn).

6

 Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền có thể xảy ra với mật độ nơtron tham gia

vào các phân hạch tiếp theo là không đổi (hệ thống tới hạn); phản ứng dây chuyền có thể điều khiển được trong lò phản ứng

 Nếu k > 1: số nơtron tham gia vào các phân hạch tiếp theo tăng liên tục theo

thời gian; phản ứng dây chuyền xảy ra nhưng không thể kiểm soát được (hệ thống vượt hạn)

Ngoài ra, với một khối lượng U235 đủ lớn thì phản ứng dây chuyền tự phát có thể xảy ra; người ta gọi khối lượng tối thiểu của khối hạt nhân để phản ứng dây chuyền có thể

xảy ra được là khối lượng tới hạn Khi phân hạch, có một số nơtron bị “ văng” ra nhưng

chúng có thể bị thất thoát ra ngoài theo mọi phương ( như vậy số nơtron bị thất thoát tỉ lệ với diện tích mặt ngoài của khối chất Uran) Nếu khối lượng đủ lớn, đạt đến giá trị tới hạn (khối lượng tăng tỉ lệ với thể tích khối Uran) thì tỉ lệ giữa số nơtron được sinh ra và

số nơtron bị thất thoát sẽ giảm đi Ví dụ: Nếu khối chất Uran có dạng hình cầu thì tỉ lệ này là: 4 32

r



  ; còn nếu khối chất Uran có dạng hình lập phương thì tỉ lệ trên là:

3

2

r  Với U235 nguyên chất thì khối lượng tới hạn là 1kg; còn đối với Pu239 nguyên chất thì khối lượng tới hạn là 1,235kg

(xem bài tập 3) Nhiệt lượng toả ra ứng với khối lượng tới hạn này tương đương với nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 2000 Tấn xăng hoặc tương đương với năng lượng khi làm nổ tung 25.000Tấn thuốc nổ TNT (thuốc nổ Trinitrôtoluen) Đó chính là nguyên tắc bom hạt nhân Người ta dùng hai mảnh U235 có khối lượng nhỏ hơn 1kg đặt cách xa nhau Dùng khối thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh đó dính liền với nhau, khối lượng bây giờ lớn hơn khối lượng tới hạn, kết quả là xảy ra một vụ nổ nguyên tử Trong thực tế vì khó

có được U235 nguyên chất nên khối lượng tới hạn (của cả khối quặng Uran ) lớn hơn rất nhiều Ví dụ như trong hai quả bom nguyên tử (bom A) thả xuống hai hòn đảo của Nhật Bản năm 1945, khối lượng tới hạn của mỗi quả là 50kg (xem bài tập 6)

IV Lò phản ứng hạt nhân

1 Nguyên tắc lò phản ứng:

a Sự làm chậm nơtron bằng va chạm:

Mỗi khi nơtron va chạm vào hạt nhân thì nơtron sẽ mất năng lượng vì phải truyền một phần động năng cho hạt nhân Lý thuyết đã tính được, nếu động năng của nơtron trước va chạm là K0 và sau mỗi va chạm đàn hồi, nơtron đều chuyển cho hạt nhân cùng một phần năng lượng trung bình như nhau là K: 1

1

x K

x

 với : 1 2

1

A x A





Như vậy, sau y lần va chạm, động năng còn lại của nơtron là:

.

y

 hay: ln 0 .

y

K

y K

Vậy ta tính được số lần cần cho va chạm của nơtron với chất làm chậm để thu được nơtron chậm là: 1 .ln 0

y

K y

K K



 (xem bài tập 5)

b Nguyên tắc lò phản ứng:

Khi vỡ hạt nhân thì trung bình có từ 2 đến 3 nơtron nhanh bắn ra Nên dùng chất làm chậm nơtron để năng lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt thì có thể dùng Uran thiên nhiên làm giàu U235 (trong các lò phản ứng hạt nhân người ta thường dùng

U235 đã được làm giàu 3%) để thực hiện phản ứng dây chuyền Tính chất này được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (như

235U; 239Pu; 233U)

Để tăng cường hiệu quả của sự phân hạch hạt nhân của Urani,cần phải tách đồng vị

U235 (có khả năng phân hạch cao) ra khỏi đồng vị U238 (khả năng phân hạch kém) Một cách thực hiện điều đó là tạo nên từ Urani khí UF6 ( khí Urani Hexaflorid) và cho chúng khuếch tán nhiều lần qua các vách ngăn xốp Các phân tử nhẹ hơn khuếch tán nhanh hơn

và hiệu suất của vách ngăn được xác định bởi hệ số tách  là tỉ số hai tốc độ căn quân phương Ta thấy: khối lượng mol của UF6 (U238) là 238 +6.19 = 352g còn khối lượng mol của UF6 (U235) là 235 + 6.19 = 349, mà tốc độ căn quân phương được tính bằng công thức: 2 3RT

v

M

 , nên hệ số tách :

2

235 238

238

1,00429

M v

đồng vị thực tế cần cho khí đi qua tới 4000 vách ngăn

Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh Uran thiên nhiên hay Plutôni rất mỏng xếp xen

kẽ các lớp khá dày chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền

Như vậy nơtron nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm Muốn điều chỉnh lò cho mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh Cadimi có tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt (mà không gây ra phân hạch) Muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh Cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra để bảo đảm số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn vị

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để đảm bảo giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtron

Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi Hơi nước sẽ làm quay tuabin của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt Chất tải nhiệt chạy theo chu trình: lò – buồng trao đổi nhiệt – lò, nhờ hệ thống

bơm đặc biệt (sơ đồ SGK).

Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo vệ Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng Hệ bảo vệ bảo đảm sự an toàn phóng xạ

Để có một ý niệm về quy mô, bình của một lò phản ứng điển hình đối với một nhà máy điện công suất

1000 MW có thể cao tới khoảng 12m và nặng tới 450 tấn Nước chạy trong chu trình thứ nhất có lưu lượng cỡ 85 tỉ m 3 /s.

c Phân loại lò phản ứng hạt nhân:

8

L p b o v ớp bảo vệ ảo vệ ệ

b ng bê tông ằng bê tông

Cái ph n x ảo vệ ạ Thanh i u ch nh điều chỉnh ều chỉnh ỉnh

Dung d ch mu i Uran ịch muối Uran ối Uran trong n ướp bảo vệ c n ng ặng

S ơng điều chỉnhồ nguyên lý của kết cấu lò đồng nguyên lý c a k t c u lò ủa kết cấu lò đồng ết cấu lò đồng ấu lò đồng điều chỉnhồ nguyên lý của kết cấu lò đồng ng thể

L p b o v ớp bảo vệ ảo vệ ệ

b ng bê tông ằng bê tông

Cái ph n x ảo vệ ạ Thanh i u ch nh điều chỉnh ều chỉnh ỉnh

Ch t l m ấu lò đồng à Nam

ch m ậm

Ph n t to ần tử toả ử toả ảo vệ nhi t ệ

S ơng điều chỉnhồ nguyên lý của kết cấu lò đồng nguyên lý k t c u lò d ết cấu lò đồng ấu lò đồng ịch muối Uran thể

* Tuỳ theo cơ cấu, người ta chia lò phản

ứng hạt nhân thành lò đồng thể và lò dị

thể Trong lò đồng thể, nhiên liệu hạt nhân

và các chất làm chậm nơtron là một dung

dịch đồng thể Nếu phản ứng xảy ra trong

lò đồng thể thì phản ứng hạt nhân được tiến

hành trong toàn bộ thể tích của lò

Trong lò dị thể, nhiên liệu được phân bố

trong khối chất rắn làm chậm nơtron, chẳng

hạn như Graphit Những bộ phận chứa nhiên

liệu hạt nhân – những phần tử toả nhiệt,

thường tạo thành hình không gian đều trong

khối graphit Trong lò dị thể thì phản ứng hạt

nhân chỉ có thể tiến hành trên bề mặt phân

cách các pha

* Phân loại theo mục đích sử dụng:

Tuỳ theo mục đích sử dụng ( nghiên cứu khoa

học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản

xuất nhiên liệu hạt nhân) mà lò phản ứng có

cấu tạo khác nhau về nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm

Lò nghiên cứu: dùng để nghiên cứu nơtron, vật lý kỹ thuật nhiệt, ảnh hưởng của bức xạ lên các vật liệu, nhờ đó xác định được các thông số nơtron và thông số các vật liệu dùng trong cấu trúc lò phản ứng Lò nghiên cứu cũng cho phép ta chế tạo được các đồng vị phóng xạ phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân, y học, quân sự,

Lò thí nghiệm: dùng để kiểm tra các tính toán lý thuyết, tìm các đặc trưng tối ưu của vùng hoạt tính, vật liệu làm lò, nghiên cứu các vấn đề toả nhiệt, điều khiển và bảo vệ lò trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt

Lò năng lượng: dùng để cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi thành cơ năng hoặc điện năng

Lò nhân: dùng để sản xuất các đồng vị nhân tạo Pu239 và U233 Nguyên liệu dùng là U238

và Th232 không phân hạch dưới tác dụng của nơtron nhiệt Cấu trúc lò như sau: vùng hoạt tính U235, Pu239 hoặc U233 được bao quanh bằng U238 hay Th232, nếu nơtron thoát khỏi vùng hoạt tính sẽ bị U238 , Th232 hấp thụ và tạo nên Pu239 và U233 Vùng này được gọi là vùng tái

sản xuất (xem bài tập 6)

* Tuỳ theo năng lượng nơtron gây ra phản ứng phân hạch, người ta còn phân loại : lò phản ứng nơtron nhiệt ( nơtron có năng lượng ở lân cận 0,025eV) dùng nhiên liệu có Uran giàu U235, Pu239, U233; lò nơtron trung gian (nơtron có năng lượng trong khoảng

1keV đến 100keV); lò nơtron nhanh (nơtron có năng lượng lớn hơn 100keV) dùng nhiên liệu U238 hay Th232 Chất làm chậm thường dùng là graphit, nước nặng Chất tải nhiệt có thể là nước nặng, kim loại lỏng natri, kali, bitmut, chì, thuỷ ngân,

Năm 1942, ở Chicago – Mỹ, lần đầu tiên người ta tiến hành phản ứng hạt nhân dây chuyền trong lò phản ứng dị thể, xây dựng dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý Fecmi, người Italia Nhà máy điện và tàu phá băng chạy bằng lò phản ứng hạt nhân (lò urani graphit) được xây dựng đầu tiên trên thế giới tại

Matxcơva - Liên Xô năm 1946.

2 ứng dụng của lò phản ứng hạt nhân trong thực tế và các vấn đề tồn tại:

Hiện nay, lò phản ứng hạt nhân là bộ phận chính của các nhà máy điện nguyên tử Chất tải nhiệt sơ cấp, sau khi chạy qua vùng tâm lò, sẽ chảy qua bộ phận trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi Hơi nước làm quay tuabin của máy phát điện, giống như các nhà máy sản xuất điện thông thường khác Chúng ta biết rằng năng lượng toả ra sau mỗi phân hạch khoảng 200 MeV, như vậy chỉ cần một khối lượng khoảng vài chục tấn quặng Uran có U235 được làm giàu khoảng 3% đã đủ cho nhà máy này hoạt động trong thời gian một năm với công suất tương đương với một nhà máy nhiệt điện mà người ta phải đốt khoảng 1,5 triệu tấn than hàng năm

Lò phản ứng hạt nhân cũng đã được đặt trên các tàu thuỷ, tàu ngầm Chỉ cần một lần nạp nhiên liệu,các tàu này có thể hoạt động liên tục vài năm

Cho đến nay, nhiều nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng ở các nước công nghiệp phát triển và đã cung cấp một lượng điện năng đáng kể ( có những nước, lượng điện năng

do nhà máy điện hạt nhân cung cấp lên đến 1/3 tổng điện năng sản xuất hàng năm) Việt Nam đã có đề án xây dựng nhà máy điện hạt nhân, nhưng còn gặp một số khó khăn Vì muốn phát triển năng lượng hạt nhân, chúng ta cần phải đưa ra chiến lược phát triển và

sử dụng năng lượng hạt nhân, trong đó có các mục tiêu dài hạn và ngắn hạn, các định hướng trong nghiên cứu công nghệ lò phản ứng, chu trình nhiên liệu hạt nhân, công nghệ

xử lý chất thải phóng xạ, khai thác và sử dụng nhiên liệu hạt nhân

Lý do các nước trên thế giới, trong đó có cả Việt Nam còn đang rất thận trọng trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân vào việc sản xuất nhiên liệu phục vụ đời sống vì hiện nay còn có hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết Thứ nhất là vấn đề an toàn của chính lò phản ứng Phản ứng dây chuyền phải luôn được khống chế, nếu không, nhiên liệu nóng chảy hoặc áp suất tăng cao đến mức làm vỡ thành bảo vệ xung quanh lò (giống như sự giải phóng năng lượng ở một quả bom nguyên tử) Khi đó, các chất phóng xạ sẽ

rò rỉ ra môi trường bên ngoài, trong đó có những chất thải có chu kỳ bán rã lên đến hàng triệu năm sẽ làm ảnh hưởng đến con người sống trong khu vực đó không chỉ vào thời điểm ấy mà còn kéo dài nhiều thế hệ sau Sự cố như vậy đã từng xảy ra ở nhà máy điện nguyên tử Trecnôbưn (Ucraina) năm 1986, số nạn nhân hiện nay vẫn chưa thống kê được chính xác vì con số đó vẫn gia tăng cho đến bây giờ (tức 20 năm sau) và sẽ còn gia tăng trong một thời gian dài nữa

Vấn đề thứ hai là việc xử lý chất thải phóng xạ từ nhiên liệu hạt nhân sau khi đã hết khối lượng khả dụng Chính đây mới là vấn đề nghiêm trọng và hiện nay vẫn chưa được giải quyết thoả đáng Các sản phẩm phân hạch dều có tính phóng xạ cao và phần lớn là các chất phóng xạ  sống lâu, rất nguy hiểm cho sức khoẻ của con người Không còn giải pháp nào cho số chất thải phóng xạ ấy, người ta buộc phải bọc chúng bằng những khối bêtông vững chắc, (có thể dùng thêm Bo, chì Pb hoặc Cađimi), sau đó chôn sâu vào lòng đất để chúng “ tự chết” theo thời gian Tuy nhiên, việc chôn sâu trong lòng đất chỉ phần nào làm giảm bớt nguy cơ, chứ không ngăn chặn được hoàn toàn Thời gian gần đây, đã có những ghi nhận về việc xử lý chất thải không đúng cách gây ra hậu quả

nghiêm trọng cho những người dân sống gần khu vực có chôn chất thải phóng xạ

Ai trong chúng ta cũng biết, nguồn năng lượng to lớn từ hạt nhân được rất nhiều nước quan tâm, người ta có thể sử dụng chúng vào các ngành công nghiệp, y học, quân sự

10