Bài giảng Vật lý A3: Chương 7 - PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Vật lý A3 - Chương 7: Phản ứng hạt nhân cung cấp cho người học các kiến thức: Các phản ứng hạt nhân, các định luật bảo toàn, phân hạch hạt nhân, lò phản ứng, phản ứng nhiệt hạch,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương Phản ứng hạt nhân PGS.TS Lê Công Hảo 7.1 CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ➢ Ta làm thay đổi cấu trúc hạt nhân cách bắn phá chúng hạt nhân mang lượng khác ➢ Các va chạm dẫn tới làm thay đổi tính chất hạt nhân bia gọi phản ứng hạt nhân ➢ Rutherford người quan sát phản ứng hạt nhân vào năm 1919 ➢ Sau người ta thực hàng ngàn phản ứng hạt nhân khác, bật sau máy gia tốc hạt phát triển vào năm 1930 ( )4 a +X→Y+b X (a ,b )Y Li p,  He p+ Li→ He +  X bắn phá hạt a kết tạo hạt nhân Y hạt b 7.2 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN Các định luật bảo tồn phản ứng hạt nhân là: ➢ Bảo toàn số khối A: Tổng số nucleon trước sau phản ứng phải ➢ Bảo tồn điện tích Z: Tổng số điện tích hạt nhân trước sau phản ứng phải ➢ Bảo toàn lượng động lượng: đại lượng bảo tồn phản ứng hạt nhân có lực tương tác bên nhân bia hạt nhân bắn phá, khơng có ngoại lực để phá vỡ ngun lí bảo tồn 7.2 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN Giả sử hạt nhân bia X ban đầu đứng yên, hạt tới có động Ka, phản ứng tạo hạt nhân Y b có động KY Kb Theo định luật bảo toàn lượng, MXc2 + Ka + Ma c2 = MYc2 + K Y + Mbc2 + K b Nếu Q > phản ứng tỏa lượng (tỏa nhiệt): khối lượng hạt nhân chuyển thành động hạt Y b Nếu Q < phản ứng thu lượng (thu nhiệt) Năng lượng phản ứng Q: Q = KY + K b − K a Q = (M X + M a − M Y − M b )c Hạt tới phải có lượng ngưỡng Kng K ng  Ma   = − Q 1 +  MX  7.3 PHÂN HẠCH HẠT NHÂN Phân hạch hạt nhân xãy hạt nhân nặng, chẳng hạn 235U, tách thành hai hạt nhân có khối lượng gần Trước phân hạch mà ta gọi sản phẩm phân hạch Khi hạt nhân nặng bắt neutron nhiệt xãy phản ứng phân hạch hạt nhân giải phóng lượng 200 MeV Sự phân hạch neutron nhiệt n+ 235 92 U→ ( 236 92 235U hấp thụ ) * U → X + Y + vài neutron n+ 235 92 U→ Ba + Kr +3 n 141 56 92 36 Sau phân hạch Sự kiện phân hạch lớn ứng với mãnh phân hạch có số khối A  140 A  95 Các mãnh phân hạch mà có số neutron dư lớn hầu hết giải phóng tức thời hai ba neutron Hiệu suất phân hạch (%) 7.3 PHÂN HẠCH HẠT NHÂN Các mãnh phân hạch lại giàu neutron dẫn đến phân rã thành hạt nhân bền vững qua loạt phân rã  Số khối A Trong trình phân rã tia gamma phát hạt nhân trạng thái kích thích 7.4 LỊ PHẢN ỨNG Lị phản ứng hệ thống thiết kế để kiểm soát phản ứng phân hạch mà ta gọi phản ứng dây chuyền tự trì Lị phản ứng thiết kế vào năm 1942 Fermi Trường Đại học Chicago (Mỹ) với uranium tự nhiên làm nhiên liệu Fission products (Sản phẩm phân hạch) Proton Neutron Năng lượng Neutrons U-235 7.4 LÒ PHẢN ỨNG Uranium tự nhiên chứa 0,7% đồng vị 235U, lại 238U chiếm 99,3% 238U không phân hạch neutron nhiệt mà hấp thụ neutron để tạo Neptunium Plutonium Để lị phản ứng hoạt động nhiên liệu uranium phải làm giàu để chứa vài phần trăm đồng vị 235U 7.4 LÒ PHẢN ỨNG 7.4 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH ➢ Quá trình hợp hạch xãy hai hạt nhân nhẹ kết hợp lại với để hình thành hạt nhân nặng ➢ Để đưa hạt nhân lại gần nên cần có nhiệt độ cao, phản ứng hợp hạch gọi phản ứng nhiệt hạch ➢ Các phản ứng nhiệt hạch giải phóng lượng xãy Mặt Trời sau: Chu trình proton-proton 1 H +11 H→ 21 H + +1 e +  1 H + 23 He → 42 He + +1 e +  1 H + H→ He +  He + 23 He → 42 He +11 H +11 H Hầu hết lượng tạo tập trung lớp Mặt Trời nhiệt độ lên tới 1,5.107K 7.4 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn cho lò phản ứng nhiệt hạch mà thực mặt đất H + 21 H→ 23 He + 01 n H + 21 H→ 31 H +11 H H + 31 H→ 42 He + 01 n Q = 3,27 MeV Q = 4,03 MeV Q = 17,59 MeV Trong phản ứng nhiệt hạch D-T, H +13H → 24He+ 01n Q = 17,6 MeV Neutron 14 MeV xuyên qua plasma bị hấp thụ vật liệu xung quanh n + Li→ H+ He Lithium nóng chảy làm vật liệu hấp thụ neutron để lưu chuyển lithium vòng trao đổi nhiệt khép kín 7.4 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Cấu trúc lò phản ứng nhiệt hạch 7.4 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH ➢ So với nhà máy điện phân hạch hạt nhân: (1) giá thành nguồn nhiên liệu thấp dồi (deuterium), (2) khống chế tai nạn xãy ra, (3) nguy hiểm xạ so với phân hạch ➢ Một số khó khăn thấy trước bao gồm: (1) tính khả thi khơng thiết lập lò phản ứng nhiệt hạch, (2) giá thành nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân cao, (3) khan lithium, (4) hạn chế helium cần để làm lạnh nam châm siêu dẫn, (5) hư hổng cấu trúc gây phóng xạ neutron bắn phá, (6) độ ô nhiễm nhiệt cao ➢ Nếu khó khăn hệ số thiết kế kỹ thuật giải nhiệt hạch hạt nhân trở thành nguồn lượng khổng lồ kỷ 21  ... 31 H→ 42 He + 01 n Q = 3, 27 MeV Q = 4,03 MeV Q = 17, 59 MeV Trong phản ứng nhiệt hạch D-T, H +13H → 24He+ 01n Q = 17, 6 MeV Neutron 14 MeV xuyên qua plasma bị hấp thụ vật liệu xung quanh n + Li→... proton-proton 1 H +11 H→ 21 H + +1 e +  1 H + 23 He → 42 He + +1 e +  1 H + H→ He +  He + 23 He → 42 He +11 H +11 H Hầu hết lượng tạo tập trung lớp Mặt Trời nhiệt độ lên tới 1,5.107K 7. 4 PHẢN... Fission products (Sản phẩm phân hạch) Proton Neutron Năng lượng Neutrons U-235 7. 4 LÒ PHẢN ỨNG Uranium tự nhiên chứa 0 ,7% đồng vị 235U, lại 238U chiếm 99,3% 238U không phân hạch neutron nhiệt