Bài tập Kỹ thuật hạt nhân

NGUYỄN ĐỨC HÒA, NGUYỄN AN SƠN TRƯƠNG VĂN MINH, LÊ VIẾT HUY BÀI TẬP KỸ THUẬT HẠT NHÂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Lời mở đầu Hiện nay, nhu cầu sử dụng lượng ngày cao Các nguồn lượng hóa thạch hạn chế khó có khả tái tạo thời gian ngắn Cho đến nay, nguồn lượng hạt nhân coi nguồn lượng dồi dào, rẻ, Trong năm gần đây, nước ta dịch chuyển ứng dụng nguồn lượng hạt nhân lĩnh vực lượng phi lượng Ngành học Kỹ thuật hạt nhân, Công nghệ hạt nhân triển khai đào tạo số trường trọng điểm Việt Nam, nguồn nhân lực thực sách đảm bảo lượng cho quốc gia thời gian tới Môn học Kỹ thuật hạt nhân môn học xương sống, chủ đạo ngành Kỹ thuật hạt nhân Công nghệ hạt nhân Tài liệu tiếng Việt môn học chưa đủ để đáp ứng nhu cầu học sinh viên, việc ứng dụng lý thuyết để tính toán toán vật lý tương tác xạ, trình bên lò phản ứng hạt nhân Do đó, biên soạn sách Bài tập Kỹ thuật Hạt nhân với nội dung gồm chương sau: Chương Trình bày tóm tắt lý thuyết Vật lý hạt nhân nguyên tử Trong chương này, vấn đề về: Hạt bản, Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử, Bán kính nguyên tử hạt nhân, Bước sóng hạt, Trạng thái kích thích phát xạ, Độ bền hạt nhân phân rã phóng xạ, Độ phóng xạ, Phản ứng hạt nhân, Năng lượng liên kết, Một số mẫu cấu trúc hạt nhân trình bày vắn tắt, giúp người đọc dễ vận dụng việc giải tập Phần cuối Chương tập hướng dẫn giải Chương Trình bày trìnhTương tác xạ với vật chất Các loại tương tác gồm: Tương tác neutron với vật chất, Tương tác tia gamma với vật chất, Tương tác hạt mang i điện Phần cuối Chương dạng tập hướng dẫn giải Chương Trình bày tóm tắt lý thuyết Lò phản ứng hạt nhân điện hạt nhân Các nội dung giới thiệu chương gồm: Phản ứng phân hạch dây chuyền lò phản ứng, Nhiên liệu dùng cho lò phản ứng hạt nhân, Hiệu suất nhà máy điện hạt nhân, Các thành phần lò phản ứng hạt nhân, Một số loại lò phản ứng công suất, Chu trình nhiên liệu hạt nhân, trình Tách đồng vị, Tái xử lý nhiên liệu Phần tập hướng dẫn giải tập trình bày đa dạng, phong phú Chương Trình bày kiến thức Khuếch tán làm chậm neutron Các nội dung gồm: Thông lượng neutron, Định luật Fick, Phương trình khuếch tán, Các điều kiện biên, Nghiệm phương trình khuếch tán, Chiều dài khuếch tán, Phương pháp nhóm khuếch tán,khuếch tán neutron nhiệt Phần tập hướng dẫn giải trình bày cuối chương Chương Trình bày nội dung Lý thuyết lò phản ứng Các nội dung trình bày gồm: Phương trình khuếch tán nhóm neutron, Lò phản ứng dạng phẳng, dạng trụ, dạng cầu, Phương trình tới hạn nhóm, Lò phản ứng nhiệt, Lò phản ứng có lớp phản xạ, Bài toán tính toán đa nhóm lượng, Các lò phản ứng không đồng Phần cuối chương tập hướng dẫn giải Có thể nói, với 200 tập mà chọn lọc, biên tập giải đáp ứng phần lớn nội dung chương mục vừa nêu Các tập từ dễ đến khó, có tính ứng dụng cao Ngoài việc sử dụng sách cho môn học Kỹ thuật hạt nhân, tài liệu phù hợp cho môn học: Vật lý hạt nhân, Tương tác xạ với vật chất, Vật lý neutron, Vật lý lò phản ứng Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Đình Khang giới thiệu tài liệu hay để tham khảo trình biên soạn Đây lần xuất đầu tiên, sách thiếu sót bố cục nội dung, nhóm biên soạn mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp, độc giả, ii nhà nghiên cứu em sinh viên để sách hoàn thiện lần tái sau iii MỤC LỤC Chương Vật lý hạt nhân nguyên tử 1.1 Các hạt 1.2 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử 1.3 Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử 1.4 Bán kính nguyên tử hạt nhân 1.5 Khối lượng lượng 1.6 Bước sóng hạt 1.7 Trạng thái kích thích phát xạ 1.8 Độ bền hạt nhân phân rã phóng xạ 1.9 Độ phóng xạ 1.10 Phản ứng hạt nhân 1.11 Năng lượng liên kết 10 1.12 Một số mẫu cấu trúc hạt nhân 11 BÀI TẬP CHƯƠNG 13 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 20 Chương Tương tác xạ với vật chất 36 2.1 Tương tác neutron với vật chất 36 2.2 Tiết diện phản ứng với neutron 36 2.3 Sự suy giảm neutron 37 2.4 Thông lượng neutron 39 2.7 Phân hạch 39 2.8 Tương tác tia gamma với vật chất 44 2.9 Các hạt mang điện 48 BÀI TẬP CHƯƠNG 51 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 59 Chương Lò phản ứng hạt nhân điện hạt nhân 78 iv 3.1 Phản ứng phân hạch dây chuyền lò phản ứng 78 3.2 Nhiên liệu dùng cho lò phản ứng hạt nhân 78 3.3 Hiệu suất nhà máy điện hạt nhân 80 3.4 Các thành phần lò phản ứng hạt nhân 81 3.5 Một số loại lò phản ứng công suất 81 3.6 Chu trình nhiên liệu hạt nhân 83 3.7 Tách đồng vị 88 3.8 Tái xử lý nhiên liệu 91 BÀI TẬP CHƯƠNG 92 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 97 Chương Khuếch tán làm chậm neutron 109 4.1 Thông lượng neutron 109 4.2 Định luật Fick 109 4.3 Phương trình liên tục 110 4.4 Phương trình khuếch tán 112 4.5 Các điều kiện biên 112 4.6 Nghiệm phương trình khuếch tán 113 4.7 Chiều dài khuếch tán 115 4.8 Phương pháp nhóm khuếch tán 116 4.9 Khuếch tán neutron nhiệt 117 BÀI TẬP CHƯƠNG 120 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 125 Chương Lý thuyết lò phản ứng 139 5.1 Phương trình khuếch tán nhóm neutron 139 5.2 Lò phản ứng dạng phẳng 140 5.3.Một số hình dạng khác lò phản ứng 142 5.4 Phương trình tới hạn nhóm 145 5.5 Lò phản ứng nhiệt 146 v 5.6 Lò phản ứng có lớp phản xạ 149 5.7 Các tính toán đa nhóm 152 5.8 Các lò phản ứng không đồng 152 BÀI TẬP CHƯƠNG 155 HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG 161 vi Chương Vật lý hạt nhân nguyên tử 1.1 Các hạt Các hạt đóng vai trò quan trọng kỹ thuật hạt nhân gồm: Electron: khối lượng nghỉ = 9,01954 10 kg, điện tích e = 1,62019 10 Có hai loại electron: electron âm (-e) positron, tức electron dương (+e) Proton: khối lượng nghỉ = 1,6725 10 kg, điện tích dương với độ lớn độ lớn điện tích electron Neutron: khối lượng điện = 1,67495 10 kg, trung hòa Photon: khối lượng điện tích, di chuyển chân không với vận tốc = 2,9979 10 ⁄ Neutrino: sản phẩm phân rã số hạt nhân, khối lượng nghỉ không mang điện 1.2 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Tổng số proton nguyên tử gọi số nguyên tử (Z) Tổng điện tích hạt nhân +Ze Nguyên tử trung hòa số electron số proton Electron định tính chất hóa học nguyên tử Tổng số nucleon, bao gồm neutron proton hạt nhân A = Z + N Hạt nhân ký hiệu ký hiệu nguyên tố hóa học số A, Z, ví dụ: ký hiệu hạt nhân hydro.Các nguyên tử có số proton khác số neutron gọi đồng vị 1.3 Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử Khối lượng nguyên tử m( ) tính sau: ( ) = 12 ( ) ( ) (1.1) Nếu , tương ứng tỷ lệ phần trăm khối lượng đồng vị thứ i khối lượng nguyên tử M nguyên tố là: = ∑ (1.2) Khối lượng phân tử tổng khối lượng nguyên tử nguyên tử cấu thành Ví dụ, khối lượng phân tử oxy chứa nguyên tử oxy × 15,99938 = 31,99876 Sử dụng số Avogadro ( = 6,022045 10 ), tính khối lượng nguyên tử hay phân tử Ví dụ mole chứa nguyên tử nên khối lượng nguyên tử là: ( )= 12 6,022045 10 = 1,99268 10 Thông thường, khối lượng nguyên tử biểu thị theo đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) Một amu định nghĩa 1/12 khối lượng nguyên tử 12C trung hòa: 1 = = ( ) 1,99628 10 12 = 1⁄ = 1,66057 10 Theo Công thức 1.1: ( )= ( )⇨ ( )= ( ) 1.4 Bán kính nguyên tử hạt nhân Bán kính trung bình nguyên tử gần nhau, 2.10 m -10 Có thể coi hạt nhân có dạng hình cầu với bán kính tính theo công thức: = 1,25 ⁄ fm (1.3) R có đơn vị fermi (fm), fm=10-13 cm, A số khối nguyên tử 1.5 Khối lượng lượng Năng lượng nghỉ cho công thức: = (1.4) c vận tốc ánh sáng, khối lượng nghỉ Electron vôn, ký hiệu eV, độ tăng động electron qua hiệu điện 1V = 1,60219 10 = 1,60219 10 × Khi vật thể chuyển động, khối lượng tăng người đứng yên quan sát: = (1.5) khối lượng nghỉ v vận tốc vật thể Năng lượng toàn phần hạt tổng lượng nghỉ động năng: = = + (1.6) Động E hiệu số lượng toàn phần lượng nghỉ: = = − (1.7) −1 (1.8) Nếu v